專利名稱：非晶硅/鐵電陶瓷復合薄膜及其應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是具有光電轉換功能的非晶硅/鐵電陶瓷復合薄膜及其用途，屬于微電子學和光電子技術領域。
當前，世界各國所研制的硅集成電路與鐵電陶瓷薄膜復合，已制成16K存儲器，但鐵電轉換電場是由電訊號控制，如果能用光訊號控制，實現光電轉換，從而可進一步擴大這類復合薄膜的應用，可用于各類光電開關、光存儲器、光電傳感器等。
本發明的目的在于提供一種具有光電轉換功能的全新的非晶硅/鐵電陶瓷復合薄膜以及由此類薄膜制備成的多種光電器件。這類復合薄膜提供全新的光控偏置電場，由外界光訊號控制鐵電陶瓷薄膜中剩余極化Pr的極性轉向，從而實現光電轉換。
本發明的獨特之處是利用非晶硅的良好光電導性，為鐵電薄膜提供光控偏置電場，從而實現光電轉換。具體地說，本發明提供的復合薄膜是由襯底、鐵電陶瓷薄膜、非晶硅薄膜以及電極組成。其結構示意圖如
圖1所示。
圖中1為襯底;2為摻雜PZT型鐵電陶瓷薄膜(或BaSrTiO3);3為非晶硅薄膜;4、5、6均為電極。襯底1由通常的Si/SiO2組成。鐵電陶瓷薄膜2的具體組成為Pb(ZrxTi1-x)O3，其中X可按實際需要制成的不同器件的技術要求在0.4-0.6范圍內任意調節，其電阻率控制在107～109Ω-cm，厚度為0.2-1μm，由通常的射頻磁控濺射工藝制備，亦可采用其它鐵電材料，如BaSrTiO3，其電阻率和厚度要求均與PZT型鐵電陶瓷薄膜接近。非晶硅薄膜3，是a-Si∶H，由通常的射頻輝光放電硅烷熱分解法沉積，其暗電阻率為108～1010Ω-cm，在AMI光照射下電阻率可下降4個數量級，達104～105Ω-cm，薄膜厚度控制是由電阻決定的，原則是其電阻與PZT薄膜(或BaSrTiO3薄膜)的電阻相匹配。金屬電極4、5是由pt、Au、Al、Ni、Cr、Ni-Cr金屬或合金組成，由射頻濺射或電子束蒸發沉積而成。6為進光頂電極，選用透明導電玻璃ITO，也是用射頻濺射或電子束蒸發沉積工藝制成。
本發明提供的非晶硅/鐵電陶瓷薄膜，具有光電轉換功能，工作原理是在復合薄膜二端施加偏壓V，頂電極6處進光。在暗電場下，a-Si∶H的暗電阻Rsi 比PZT等陶瓷薄膜的電阻Rp大得多，即Rsi >>Rp，此時外加偏壓基本全部加在a-Si∶H上，即Vsi ≈V外加，Vp≈0。光照后(如AMI強度)，由于a-Si∶H的電阻率下降4個數量級，從而使a-Si∶H的亮電阻比PZT或BaSrTiO3的電阻低得多，即Rsi <<Rp，此時外加偏壓基本上全部加在PZT或BaSrTiO3上，即Vsi ≈0，Vp≈V外加。亦即復合薄膜受光照后，外加偏壓由a-Si∶H轉移到PZT或BaSrTiO3，這一光控偏置電場使PZT中剩余極化Pr的極性轉向，從而具有光電轉換功能，具體試驗數據列于表1。從表1可清楚地看出，在外加電壓1-3伏范圍內，照光前后電壓降是不同的，也即本發明提供的非晶硅/鐵電陶瓷薄膜具有較好的光電轉換功能，且轉換速率快(<10-9/秒)、寫入功率低(<1mw/mm2)、重復擦寫次數高(～1012次)、存儲密度高并可永久儲存等特點，其性能上與硅集成電路/鐵電陶瓷薄膜復合的存儲器相當，最大不同之處在于本發明提供的復合薄膜具有光電轉換功能，是光控制的。從而擴大了其應用的面，可制成光電開關、光存儲器、光電傳感器等光電集成器件，且可與硅集成電路組合成多功能光電集成電路。
權利要求
1.一種具有光電轉換功能的非晶硅/鐵電陶瓷復合薄膜，其特征在于(1)結構上復合薄膜是由襯底1、摻雜PZT或BaSrTiO3鐵電陶瓷薄膜2、非晶硅薄膜3以及電極4、5、6組成；(2)摻雜PZT鐵電薄膜2為Pb(ZrxTi1-x)O3，X可由0.4-0.6范圍內變化，厚度為0.2-1μm，或BaSrTiO3；(3)非晶硅薄膜3為a-Si∶H，其厚度控制在其電阻與PZT或BaSrTiO3匹配范圍內；(4)電極4、5、是金屬電極，如Pt，Au，Al，Ni，Cr，Ni-Cr合金；(5)電極6由透明導電玻璃ITO；(6)襯底1是由Si/SiO2組成。
2.按權利要求1所述的復合薄膜，其特征在于PZT或BaSrTiO3鐵電陶瓷薄膜2和非晶硅薄膜3是分別由通常的射頻磁控濺射法和射頻輝光放電硅烷熱分解沉積方法制備。
3.按權利要求1所述的復合薄膜，其特征在于電極4、5、6是由射頻濺射或電子束蒸發沉積方法制備的。
4.用權利要求1所述的復合薄膜可制備成光電開關、光存儲器、光電傳感器等光電集成器件以及與硅集成電路復合的多功能光電集成電路。
全文摘要
本發明涉及的是具有光電轉換功能的非晶硅/鐵電陶瓷復合薄膜、制備及其應用，屬于微電子學和光電子學領域。本發明提供的復合薄膜是由襯底i，摻雜PZT鐵電陶瓷薄膜或BaSrTiO用本發明提供的復合薄膜可制成多種光電集成器件，如光電開關、光存儲器、光電傳感器，并可與硅集成電路組合成多功能光電集成電路。
文檔編號H01L31/02GK1110432SQ94112118
公開日1995年10月18日 申請日期1994年4月12日 優先權日1994年4月12日
發明者吳道懷, 俞大畏, 陳慧婷, 周章, 王永令 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所