摘要
摘要
铁电材料经过100余年发展，应用覆盖了信息存储、电卡制冷、催化方向等。
在信息存储方向最具应用前景，由于铁电性的自发极化以及方向可调，正好与二
进制“0”与“1”对应，并且铁电响应是纳秒级响应，这为高存储速度提供保障。
目前发展出的铁电存储器件包括铁电随机存储器，铁电场效应晶体管，铁电隧道
结等。不过目前存在铁电材料自身限制，如厚度降低铁电性能减弱，与互补金属
氧化物半导体工业的兼容性不佳，结构复杂等。但自2011年铁电性在HfO2中发
现以来，由于HfO2用于高k介电层而具有的工艺兼容性，以及HfO2存在薄膜越
薄铁电性越强的“反尺寸效应”和无铅无环境危害等特性，被认定为最具潜力的
下一代铁电存储器材料，目前已经开展了广泛的基于HfO2的掺杂、应力调控、氧
空位调控等关于铁电相稳定和提升铁电性能的研究。不过在HfO2中仍然存在许多
尚不清晰的基础性问题，如铁电起源问题，氧空位作用机制，铁电抗疲劳性差等
问题，都限制了铁电HfO材料的发展与实际应用。本文基于脉冲激光沉积方法生
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长的外延单晶薄膜，并且采用研究最为广泛的Hf0.5Zr0.5O2（HZO）薄膜选取生长
参数，氧空位调控等角度展开外延生长及物性研究。
本文以SrTiO（001)为衬底，LaSrMnO为底电极生长HZO薄膜，并且
30.70.33
在能量相关参数中对于脉冲激光能量与生长温度两个参数进行调控，观察到激光
能量过低与生长温度过低时，将导致铁电相结晶峰减弱以及非铁电相峰增强。在
激光能量过高时由于激光溅射出的离子轰击强度过高，导致薄膜剩余极化减小。
本文调节薄膜生长氧压时，发现高氧压下生长薄膜剩余极化大于低氧压，同
时高氧压下薄膜漏电流也较高，该现象可能与生长过程中轰击产生的深势阱缺陷
相关。
针对氧压调节时带来的生长压强附属影响，本文在外延体系中首次提出保持
整体生长压强不变，调节氧气与氩气比例调控薄膜，引入氧空位。在最优的氩气
氧气为1:2比例的生长参数条件时，获得了剩余极化约70%的提升。实验成功通
过引入氧空位提升剩余极化，并且发现了氧空位主要影响Hf元素以及氧空位含量
和剩余极化强度的显著关系，为以后的氧空位调控提供了清晰的方向。
针对HZO器件稳定性问题，本文在外延体系中首次全面阐述
Pt/HZO/LSMO/STO（001）异质结中以肖特基发射机制为漏电主导机制。并且通
过阿伦尼乌斯拟合确定HZO/LSMO势垒高度为0.58eV，HZO/Pt势垒高度为0.48
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摘要
eV。
获得HZO薄膜的漏电机制后，针对其对于器件稳定性的影响采取后处理退火
处理。处理后的薄膜漏电流显著降低而且稳定性提高一个数量级。对于热处理后
的薄膜漏电机制进行探究发现两侧界面势垒高度在热处理后提高了约0.1eV。
XPS测试对于热处理前后HZO薄膜的Hf，Zr以及O元素进行分析。发现在阳离
子的结合能峰位有增加的趋势，通过结合O元素XPS的分析结合，得出是通过热
处理很好的弥补了薄膜中的氧空位使得界面处缺陷减少最终增加了势垒高度，获
得了性能优化的HZO薄膜。
本文在薄膜生长参数中进行调节，探究参数与性能之间的联系。并且通过氩
氧混合生长参数引入氧空位提升约70%剩余极化，以及通过热处理方法获得一个
数量级的循环稳定性提升，为以后的氧空位调控提供了清晰的方向，以及为缓解
HZO器件的稳定性问题提供了清晰的解决方案。
关键词：Hf0.5Zr0.5O2薄膜；铁电；外延生长；氧空位；漏电机制
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