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#STO外延片 #SrtiO3外延片 #分子束外延钛酸锶 #BTO电光调制器

摘要

钛酸锶（SrTiO3，STO）因其卓越的介电性能而成为各种电子应用中的有前景材料。分子束外延（MBE）是少数几种能够直接在工业相关硅基板上外延生长STO的技术之一。然而，在这一过程中保持精确的化学计量比和高晶体质量仍然是一个显著的挑战。确立这一点对于获得具有块体介电特性的STO，并最小化漏电流和光学吸收至关重要。在本研究中，我们探讨了阳离子化学计量比和薄膜厚度的影响，研究了外延生长在硅上的STO薄膜。我们采用实时反射高能电子衍射（RHEED）作为反馈机制，以抵消钠源氧化并保持恒定的通量。此外，还研究了在O2气氛下的高温后退火处理，以促进薄膜层的松弛并减少氧空位浓度，从而改善化学计量STO的物理、电气和光学性能。结果，成功制造出了超过100nm的高质量STO薄膜，具有块体般的垂直晶格参数和折射率，摇摆曲线半高全宽（FWHM）小于0.2°，表面光滑（Rq < 0.2 nm），且漏电流密度低于1E-7 A/cm²。

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文章名：Stoichiometry and Thickness of Epitaxial SrTiO3 on Silicon (001):an Investigation of Physical, Optical and Electrical Properties

作者：Andries Boelen1,2, Marina Baryshnikova1, Anja Ulrich1,3, Kamal Brahim1,4, Joris Van de  Vondel5, Christian Haffner1and Clement Merckling1,2

单位：1) Imec, B-3001 Leuven, Belgium

2) Department of Materials Engineering (MTM), KU Leuven, B-3001 Leuven, Belgium

3) Department of Information Technology (INTEC), Photonics Research Group, Ghent University, B-9052 Ghent,  Belgium

4) Department of Electrical Engineering (ESAT), KU Leuven, B-3001 Leuven, Belgium

5) Department of Physics and Astronomy, KU Leuven, B-3001 Leuven, Belgium

引言

高介电常数材料因其在CMOS技术中作为门介电材料的潜在应用而受到广泛关注，促进了对其探索和性能提升的广泛研究[1]。在室温下，钛酸锶（SrTiO3，STO）具有较高的介电常数、良好的绝缘性能，尽管是顺电性的，但可以通过掺杂[2,3]或应变工程[4]转变为铁电态。因此，它可以应用于许多重要技术领域，如高密度非易失性存储器[5]、用于电池的纳米电容器[6]以及用于医学成像和安全的电场传感器[7]。

在低温下，由于其量子顺电态，STO的相对介电常数可达到20,000以上[8]。这种行为是由Ti4+原子的量子波动引起的，这些波动阻止了铁电相变。STO的量子顺电行为，从而使其具有较大的介电常数，即使在高射频（RF）下也能保持，由于其声子晶格共振的影响。STO的较大介电常数（高介电常数）和较高的数据传输速率（高带宽）使其成为在低温下操作的量子计算等信息技术的有趣候选材料。例如，根据第一性原理计算，较高的介电常数应该导致应变STO具有较大的Pockels系数r，这可用于光开关技术[9]。最近，由于二次电光Kerr效应，已报道块体STO的reff值超过400 pm/V[10]。然而，关于STO薄膜介电常数的文献较少，且报告的最大值在接近0K时仅为约1,000[11,12]。这种不足可归因于较高的缺陷和位错密度，这些缺陷和位错可能来自化学计量不稳定性，改变了晶体结构。其次，由于与基板的晶格失配，应变将在低温下诱导铁电相变[13]。较大的应变提高了居里温度TC（最大介电常数），从而减少了0K下的介电常数。因此，对于低温应用，偏好最小应变。在本研究中，我们旨在解决与材料质量相关的问题。

具有完美化学计量比的外延STO薄膜可以通过射频溅射[14]和脉冲激光沉积（PLD）[15]技术生长。然而，最佳质量通常是在氧化物基板上获得的。为了实现可扩展性和集成性，必须在硅基板上沉积高质量的单晶STO薄膜。这使得适合的技术仅限于分子束外延（MBE），该技术可以确保稳定、明确的Si/STO界面[16]，这是外延生长所必需的。

MBE允许在硅上均匀沉积高质量薄膜，具有最小的晶粒边界，这对需要卓越电子和光学性能的应用至关重要[17,18]。此外，MBE允许对薄膜厚度和化学计量比进行原子级精确控制，具有独立的通量。它还支持光滑的表面和突出的界面，这对先进设备的制造至关重要。然而，MBE生长厚STO层的最大挑战之一是生长过程中的源氧化[19]。这意味着如果没有采取特别措施来中和通量的消耗，最终STO层的阳离子化学计量比将偏离所期望的Sr/Ti = 1。此外，由于MBE的超高真空条件，生长的层通常会因氧气缺乏而受影响，需要在O2气氛中进行额外的退火处理。

大多数研究集中在5-15nm厚的STO薄膜上，这些薄膜并非因为其独特的性质而被使用，而是作为生长其他钙钛矿材料（如钛酸钡BaTiO3[20,21]或铝酸镧LaAlO3[22]）的缓冲层。我们在之前的研究中也深入探讨了不同阳离子化学计量比的15nm STO模板在硅上的松弛行为，旨在改善其质量。由于如此薄的层会受到强烈的应变和界面效应的影响，因此它们的整体性质将无法与块体晶体匹配。

因此，本研究的目的是建立一个用于在硅（001）取向基板上外延生长高质量厚（> 50 nm）STO层的过程，并通过物理、电气和光学表征进行支持。由于完美的化学计量比对于获得具有块体特性的STO薄膜至关重要，因此研究了Sr和Ti过量的影响。氧化物外延过程中源氧化是导致无法控制的化学计量比的主要原因，并建立了一种获得Sr/Ti = 1的方式。此外，还进行了在O2气氛中的生长后退火（PGA）处理，以减少层内氧空位浓度，同时诱导应变松弛。最后，改变了STO的厚度，比较了应变效应以及界面SiO2对不同厚度的化学计量STO的影响。

II 实验

异质外延STO薄膜是使用200 mm Riber 49 MBE设备在硅（001）取向基板上生长的，该设备在基真空为1E-10 Torr的条件下运行。该系统配备了反射高能电子衍射（RHEED），用于实时监测表面晶体结构。锶通过双丝Knudsen蒸发源蒸发，而钛分子束由电子束蒸发器生成。两种金属分子束的通量通过石英晶体微量天平（QCM）进行现场标定。对于化学计量STO，Sr和Ti的通量分别为1.3 Å/s和0.6 Å/s。分子和/或原子氧通过射频（RF）等离子源引入MBE腔体。O2的流量由质量流量控制器（MFC）维持在5 sccm。

p型Si（001）晶片在引入超高真空（UHV）之前，首先在2% HF溶液中清洗90秒，以去除部分有机残留物。进入MBE生长腔体后，首先加热，并沉积一薄层锶（约1 nm）（680°C），以进一步帮助去除本征氧化物（730°C）[24]。当基板冷却至500°C时，表面发生了轻微的（3 x 2）重构[25]。在此温度下，锶界面层完成，达到½单层，形成Si和STO之间的氧化物屏障。这一过程通过RHEED图案中的（2 x 1）表面重构得到了验证。在去除本征氧化物后，在350°C下使用分子氧直接外延生长了前3 nm的STO，且[100] STO（001）// [110] Si（001）[16]。随后，生长过程暂停，转而使用原子氧（500 W等离子功率）进入生长腔体，并将基板温度提高至550°C。在这些条件下，剩余的STO外延以约1 nm/min的生长速率完成（约9E-7 Torr）。此外，由于我们在之前的研究中知道，生长的MBE STO层存在氧缺失问题，因此在氧气气氛下（约2E-6 Torr）进行了冷却步骤，温度降至200°C，持续45分钟，作为原位退火处理，以改善氧的化学计量比。本文进一步讨论了这一修改的影响。

阳离子化学计量比（Sr/Ti比）通过使用1.5 MeV He+离子束的卢瑟福背散射光谱（RBS）来确定。薄膜的晶体状态通过高分辨率X射线衍射（HR-XRD）使用PANalytical X’pert Pro衍射仪进行检查，采用Cu Kα1辐射线（λ ≈ 1.54 Å）。通过对STO（002）布拉格衍射峰进行对称的2θ-ω和ω扫描，并与Si（004）峰对齐，测量了结构特性。STO表面粗糙度和形貌使用Bruker Dimension Icon原子力显微镜（AFM）工具在脉冲力模式下进行研究。

透射电子显微镜（TEM）与聚焦离子束（FIB）结合用于样品制备，观察微观结构和化学组成。为了保护薄片，使用了保护性的旋涂碳（SOC）层。Titan3 G2工具以200 kV的电压操作，进行高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、环形明场STEM（ABF-STEM）、暗场STEM（DF-STEM）和能量色散X射线光谱（EDS）。

在大气压下进行的外部后退火（PGA）处理使用Annealsys快速热退火系统AS-One进行。光谱椭圆偏振（SE）使用J.A. Woollam RC2工具进行，数据在50°到80°的角度之间采集，步长为5°，每次采集时间为3秒。使用附加的CompleteEASE软件进行拟合并提取折射率n和消光系数k的光谱数据，采用附录B中描述的模型。

为了形成金属接触，样品的前后表面分别溅射了90 nm的铬（Cr）和铂（Pt）。使用遮光掩模，顶部的Cr接触形成半径为200 µm的圆形点。通过连接到Summit 11000探针站的Keithley 4200-SCS参数分析仪测量了堆叠结构的垂直漏电流。Pt背接触接地，而Cr接触点则从0 V偏置至-4 V，再回到0 V，然后从0 V偏置至+4 V，再回到0 V，步长为10 mV，延迟时间为0.3秒。

III 结果

源氧化

图1：(a) MBE生长腔室的示意图，包括原子源及其反馈回路机制。 (b) 使用RHEED和XBS分别保持Sr和Ti束流的稳定，以中和由于源氧化导致的金属束流减少。

在STO外延生长过程中，当向MBE生长腔体中引入氧气时，Sr和Ti源会逐渐氧化，导致其表面形成SrO和TiO2，进而随着时间的推移导致通量下降（见图1）[19]。一个“自动”反馈回路，配备有交叉束四极质谱仪（XBS），可以保持Ti原子通量的稳定。然而，该系统与类似Sr的蒸发源不兼容，导致Sr分子束未调整，从而导致Ti富集的STO薄膜（Sr/Ti < 1）。通过在蒸发过程中手动提高Sr源温度，可以抵消Sr源氧化的影响。为此，我们使用原位RHEED实时监控STO表面的晶体状态。

图2：STO外延生长过程中实时RHEED图样及相应的线剖面。
(a) 沿[100]STO方向的x2表面重构（见蓝色箭头）表明富Ti的STO。
(b) 沿[100]STO和[110]STO方向的尖锐高对比度RHEED图样表明化学计量STO。
(c) 相反，沿[110]STO方向的x2表面重构表明富Sr的STO层。

目标是得到一个清晰高对比度的衍射图样，而没有任何表面重构，例如图2b所示，这表明生长的是高质量的化学计量（1x1）STO（001）。沿[100]STO方向的x2表面重构揭示了一个（2x1）Ti2O3晶体顶层，如图2a所示，如果重构扩展到整个薄膜，STO层将变得富含Ti。类似地，沿[110]STO方向的x2表面重构，如图2c所示，表明存在一个c(2x2) SrO结构，最终会导致富含Sr的STO薄膜[26]。这些表面重构在相应的RHEED强度线剖面上可以更加清晰地看到。在这方面，RHEED在这里作为反馈回路，用于保持恒定的Sr通量并获得化学计量薄膜。如果没有使用RHEED，我们的50 nm STO薄膜通常会变得非化学计量，Sr/Ti比在0.70到0.80之间。

化学计量比的影响

STO薄膜在不同的厚度、生长温度（TG）和阳离子（Sr/Ti）化学计量比条件下已经在Si上生长。

图 3：不同厚度和生长温度 TG 的 STO 薄膜的面外晶格参数随 Sr/Ti 比的变化。三层最薄的薄膜（带垂直线的三角形）取自我们之前的研究 23。

图3总结了通过XRD测量的垂直晶格参数（c）与通过RBS确定的Sr/Ti比的关系。图中大多数STO样品为富Ti样品，这与上述Sr源氧化有关。从所呈现的结果可以明显看出，为了匹配块体STO的晶格参数（c = 3.905 Å），需要满足以下几个条件：Sr/Ti比接近1，生长温度较高，且薄膜厚度大于约50 nm。这可以通过以下事实来解释：较高的生长温度和薄膜厚度有助于缓解STO在Si上的压缩应变[27,28]。同时，要求完美的化学计量比，以最小化晶格参数和整体单元体积，正如其他研究人员之前所报道的[29]。

为了进一步研究由生长过程中的通量变化引起的Sr/Ti非化学计量比的影响，选择了三种不同的样品，这些样品的目标厚度均为50 nm，且在550°C下以不同的阳离子化学计量比生长：Sr/Ti = 0.78、1.02和1.46。它们分别被称为富Ti、化学计量和富Sr的STO样品。这三种STO样品分别在850°C的O2气氛中进行了30分钟和60分钟的高温PGA处理，以寻找形成完全放松和氧化STO的最佳条件。

图4：(a) 三种具有不同化学计量比的生长样品的AFM图像。
(b) 三种具有不同化学计量比的样品在PGA处理（850°C，60分钟）后的AFM图像。
(c) 富Sr STO在PGA处理（850°C，60分钟）后的XSEM图像。STO层内的空隙和厚的界面层导致了STO的裂纹和针孔（AFM）。插图显示了PGA处理前的均匀层。
(d) 作为Sr/Ti比函数的AFM表面粗糙度，PGA处理前后。PGA处理后，非化学计量STO的粗糙度增加。

图4a和4b显示了三种具有不同Sr/Ti比的样品在850°C下退火60分钟前后的1 μm x 1 μm AFM图像。所有生长的样品表面看起来都很光滑（Rq < 0.4 nm），只有在化学计量样品上才可以看到约6 nm高的小岛屿。应用PGA处理改善了化学计量样品的表面（Rq = 0.18 nm），通过减少外生长物的密度并将其高度降至约2 nm。同时，观察到高度为1个单位晶胞（约0.4 nm）的阶梯结构，表明表面为SrO或TiO2终止的STO表面。高温退火对偏离Sr/Ti化学计量比的样品总体产生了负面影响，这与之前的研究结果一致[23,30]。对于富Ti的STO样品，它促进了约100 nm的岛屿形成，岛屿高度约为20 nm；而对于富Sr样品，出现了深裂纹和针孔。为了进一步了解富Sr样品的这种严重退化原因，进行了横截面扫描电子显微镜（XSEM）研究（图4c）。结果显示，在STO中形成了约20 nm的空隙，并在STO和Si之间形成了约40 nm的界面层，而在退火前并不存在此层。图4d总结了退火前后三种样品的均方根（RMS）表面粗糙度Rq，该数据来自10 x 10 μm AFM（附图1）。

阳离子化学计量比控制对STO晶体结构的重要性进一步得到了强调。

图5：三种具有不同化学计量比的STO薄膜在PGA处理前后的XRD结果。
(a) STO（002）摇摆曲线的FWHM，对于富Ti和化学计量STO较低。
(b) 垂直晶格参数，化学计量薄膜具有与块体STO相似的晶格参数。
(c) STO（002）衍射峰的峰强度，PGA处理后化学计量STO的峰强度最大。

图5总结了STO薄膜的这些结构性质，包括STO（002）摇摆曲线的FWHM、垂直晶格参数（c）以及STO（002）反射的强度，均在PGA处理前后进行了测量。如预期的那样，生长的化学计量STO具有最低的FWHM和垂直晶格参数，其值甚至与STO块体值匹配，同时具有最高的峰值强度。过量的Ti原子导致了稍大的晶胞，但对FWHM和（002）峰强度几乎没有影响。与此同时，过量的Sr原子导致晶胞在垂直方向上显著扩展，FWHM值增加，（002）反射强度显著降低。这些观察结果表明，过量的Ti对生长的STO晶体结构影响较小，而添加过量的Sr则导致了薄膜晶体结构的显著恶化。对这些非化学计量样品进行的附加2θ-ω扫描未在较宽的范围内发现任何额外的峰，这些峰可以归因于纯TiO2或SrO相，这表明Ti和Sr的过量可能作为间隙原子或无定形包埋物被掺入[31]。

STO层的外部退火（PGA）预计会通过减少氧空位浓度[32]、应变松弛[27]和改善晶体结构[33]来降低FWHM和垂直晶格参数。然而，在当前研究中，它对化学计量和富Ti薄膜的结构性质只有微弱的正面影响。这表明，在氧气气氛下应用延长的冷却步骤（原位退火）已经足以形成完全氧化的层[34]。然而，对于富Sr的STO薄膜，PGA显著增加了（002）峰强度，并减少了FWHM和垂直晶格参数。这些结果表明，最初由于过量的Sr而妥协的晶体质量可以通过应用PGA得到恢复。然而，观察到的XSEM研究结果表明，PGA的影响难以称之为正面，因为它导致了薄膜形貌的严重退化。在这种情况下，晶体结构的改善可以通过在高温下Sr的偏析效应来解释，这种效应在钙钛矿材料中是已知的[35]，我们在15 nm薄模板中也看到了这种现象[23]。

图6：(a) STO层在PGA处理前后折射率n，与块体参考值[38]对比。
(b) STO层在PGA处理前后消光系数k，显示生长的非化学计量STO具有较高的光学损耗。
(c) 在1E+7 V/m电场下，作为Sr/Ti比函数的垂直漏电流密度，PGA处理前后。富Sr的STO表现出异常低的漏电流，但由于晶体质量较差，这与STO本身无关

保持精确的化学计量比对于生长和退火STO薄膜的绝缘和光学性能至关重要。图6a和6b展示了通过椭圆偏振测量得到的折射率（n）和消光系数（k）光谱。没有PGA时，只有化学计量STO薄膜具有与块体值相似的折射率，并且在该方法的灵敏度范围内损耗较低[23,36]。PGA对这些值的影响对化学计量样品几乎没有影响。相比之下，生长的富Ti STO薄膜表现出不同的光学特性，折射率随着波长变化从块体值偏离，并且在波长大于300 nm时损耗增加。PGA有助于将富Ti STO薄膜的n和k值恢复到接近块体的水平。生长的富Sr STO薄膜的折射率通常较低，可能是由于过量的SrO，后者的折射率约为1.9[23,37]，并且在波长大于300 nm时吸收增加。然而，由于形貌的显著退化，难以确定PGA是否改善了富Sr STO薄膜的光学性能，这使得光学模型在椭圆偏振计算中的应用变得复杂。图6c展示了三种不同Sr/Ti比的样品在PGA处理前后的垂直漏电流密度。漏电流在Sr/Ti比大于或等于1时最小[23,39,40]。通常，氧气退火通过填充氧空位来减少漏电流，否则这些氧空位会将自由电子引入导电带[41]。然而，在我们的测量设置中，退火后漏电流的减少也可以归因于SiOx界面层的增加。

正如我们之前的研究所知[23,42,43]，Si/STO界面形成薄SiOx层是常见的，主要是由于氧在高温下扩散到Si中。这一附加层在建立可靠的光学模型和讨论漏电流测量时必须考虑。对于我们在低温下生长的15 nm STO，界面层厚度从1 nm到1.5 nm不等。然而，在当前研究中，样品生长时间较长且温度较高，因此进行了专门的TEM研究，以评估这些新条件如何影响层的厚度。

图7：66 nm STO（Sr/Ti = 1.03）在PGA处理前（左）和在800°C、O2气氛下处理15分钟后的DF-STEM图像（右）。插图显示了STO与Si之间界面SiO2层的放大ABF-STEM图像。

图7中显示了另一种66 nm STO薄膜在PGA处理前（左）和处理后（右）的TEM结果，表明尽管在界面到顶部表面之间存在螺位错，STO层仍然是外延生长的。它们还表明，由于不同的生长条件，SiO2层的厚度从生长样品的2.3 nm增加到PGA处理后的4.2 nm。这些值已经被纳入椭圆偏振模型中，并与AFM表面粗糙度一起使用。这个层的存在也会影响垂直漏电流的测量，尽管需要更多的研究才能完全理解它的影响。

厚度效应

在阳离子化学计量比控制得到改善后，研究了三种具有不同厚度的化学计量STO样品，方法与上述相似。通过椭圆偏振测量得到的厚度为26 nm（Sr/Ti = 0.96）、50 nm（Sr/Ti = 1.02）和103 nm（Sr/Ti = 0.96），确认了STO厚度控制，目标值分别为25 nm、50 nm和100 nm。

图8：化学计量STO薄膜的厚度依赖性。
(a) STO（002）摇摆曲线的FWHM，作为STO厚度的函数，PGA处理前后对比。
(b) 垂直晶格参数，作为STO厚度的函数，PGA处理前后对比。
(c) 在1E+7 V/m电场下，作为STO厚度的函数的漏电流密度，PGA处理前后对比。
(d) 三种不同厚度STO样品在PGA处理后的折射率n光谱，与块体STO[38]对比。

图8a和8b展示了随着厚度变化和高温PGA处理下的FWHM（002）摇摆曲线和垂直晶格参数的变化。生长的STO薄膜的FWHM随着厚度从25 nm增加到100 nm大约减少了三倍。同时，垂直晶格参数也减少。这些观察结果表明，随着厚度的增加，层内发生了放松过程[27,28]。PGA处理进一步减少了FWHM，特别是在较薄的样品中，但对垂直晶格参数没有显著影响。尤其是在薄样品中，退火后垂直晶格常数未减少，这一结果是出乎意料的。由于STO的晶格扩展可能源于应变或氧空缺，这些发现表明，在氧气等离子体中冷却可能已经引入足够的氧气来形成化学计量层，至少对于较厚的STO是如此。然而，这并未解释为什么薄STO的垂直晶格参数未减少，这需要进一步的研究。

漏电流测量和光学研究的结果展示在图8c和8d中。漏电流密度随着生长的STO层厚度逐渐增加。外部PGA有效地减少了漏电流，特别是在25 nm和50 nm厚的样品中。由于钙钛矿氧化物中的漏电机制通常与氧空位有关[23,33,41]，因此这一趋势可能与较厚STO样品中的氧空缺较高有关。然而，界面SiOx的存在，其厚度受生长和PGA条件的影响，阻碍了得出确凿结论。因此，这些结果应谨慎解读，仍需要进一步研究，以澄清厚度和退火对漏电流的影响。

尽管关于漏电流的结果尚无定论，椭圆偏振测量表明，所使用的生长方法结合外部PGA处理，能够生长具有优异光学性能的层，无论其厚度如何。图8d展示了不同厚度样品在PGA处理后的折射率n光谱。它们显示出与块体参考非常相似的行为，表明整体具有高晶体质量[44]。对于较薄的薄膜，折射率的轻微厚度依赖性可以归因于界面SiO2的影响（n633nm ~ 1.4）[42,45]。

IV 讨论

使用MBE在Si上生长高质量的STO晶体面临显著的挑战，包括保持化学计量比和确保界面突变的复杂性。我们关于STO阳离子化学计量比对薄膜晶体结构影响的研究结果表明，为了生长出具有块体晶格参数的薄膜，必须具备完美的化学计量比。对于化学计量STO，O2中的原位退火对结构和光学性能有益，因为生长的薄膜已经接近块体STO的折射率n。然而，电学性能仍然通过额外的外部PGA处理在O2气氛下得到了显著提高，因为漏电流减少了几个数量级，原因是更多的氧空位被填充，否则这些氧空位会促进载流子的运动。然而，异常低的漏电流不仅仅归因于此；它还来自绝缘性界面SiO2层的增加，导致整个Cr/STO/SiO2/Si/Pt堆叠结构中的漏电流总体下降。

Sr/Ti比的偏差会因晶格畸变的加剧而增大STO单元晶胞，如之前的研究所讨论的那样[29,46–48]。富Sr薄膜的AFM和XSEM结果显示，PGA不仅导致了空隙、裂纹和厚界面层的形成，还使STO层的厚度从75 nm减少到了62 nm。这些观察结果表明，PGA可能导致层堆栈中额外的Sr原子的重新分布。部分过量的Sr可能通过顶部界面被烘烤掉[35]。另一部分可能扩散到底部界面，在那里它可以与界面SiOx层形成合金，因为过量的Sr原子可以在高温下轻易地扩散到SiO2中[49]。因此，剩余的层具有改善的化学计量比，这从晶格参数的显著减少可以看出。

接下来，富Ti样品在结构上看起来与化学计量样品相似。该样品具有明显狭窄的（002）ω峰，表明掺入的过量TiOx影响了STO的应变松弛机制[23,48]。在电学和光学性能上，富Ti薄膜明显退化，尽管在PGA处理后折射率n恢复，但富Ti样品的漏电流仍然较高，这是由于过量的Ti原子和/或Sr空位引起的漏电路径[23,39,40]。

厚度系列的结果清楚地说明了STO层在Si上的放松行为。对于最薄的STO薄膜，PGA处理后垂直晶格参数几乎没有变化，表明仍然存在压缩应变。薄层放松的困难可能来源于更高的缺陷密度，这是由于在生长初期STO层的源氧化较强。这可能影响了放松机制或同时界面氧化的显著影响，这些效应在薄样品中更为显著。

对于50 nm的STO层，垂直晶格参数略低于块体值，表明存在拉伸应变。此应变可能在冷却过程中由于STO（8.8 x 10^-6 K^-1）与Si（2.6 x 10^-6 K^-1）之间热膨胀系数的不匹配而产生[50]。相比之下，生长和退火后的100 nm STO层的垂直晶格参数非常接近块体值。对STO（103）衍射进行的附加倒空间映射（RSM）测量确认，100 nm STO可以生长为完全放松的材料。这些结果表明，需要进一步研究非常薄的STO薄膜中诱导的应变，并尽可能减少这种应变。这对于STO介电常数是关键参数的应用尤其重要，因为应变效应会影响居里温度TC[4]。

V 结论

具有优异块体性质的STO薄膜需要完美的化学计量比。通过使用RHEED作为实时反馈机制，我们有效地控制了阳离子化学计量比，并减轻了STO外延生长过程中Sr源氧化的影响。物理、电学和光学表征强调了化学计量比的重要性，Sr/Ti = 1的偏差导致晶格参数、漏电流和光学吸收的增加。此外，高温PGA处理在O2气氛中可以减少氧空位浓度，改善STO的绝缘性能和光学透明性。这些处理还促进了应变松弛，改善了晶体结构，并使化学计量STO的表面更加光滑。成功生长了超过100 nm的高质量STO薄膜，摇摆曲线FWHM小于0.2°，折射率与块体值非常接近。本研究为将STO薄膜作为活性材料应用于能量存储和量子信息技术等各种应用中的先进设备奠定了基础。未来的工作将集中在进一步增加STO的厚度、测量介电性能以及优化PGA条件。此外，还将探索替代的测量技术，以准确地确定光学损耗，因为当前椭圆偏振法的灵敏度有限。