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作者：许多;孙浩滢;王志超;沈葛梁;张弘毅;文宗涵;韩露;邓昱;聂越峰;
单位：南京大学现代工程与应用科学学院,南京大学固体微结构物理全国重点实验室,江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室,江苏省物理科学研究中心;
摘要：钛酸钡(BaTiO_3, BTO)薄膜因其优异的电光效应在集成光子器件中具有重要的应用潜力。然而,在硅衬底上实现高质量BTO薄膜的外延生长并有效调控其面内极化以实现电光系数最大化仍面临关键挑战。采用氧化物分子束外延技术,结合原位反射高能电子衍射(RHEED)实时监控,Si基片上的外延钛酸锶(SrTiO_3,STO)缓冲层在12.5个单胞层(ML)后完成晶格弛豫,显著降低了BTO薄膜与Si衬底的晶格失配度,为Si基片上外延BTO提供了良好的过渡层。在STO上外延更大晶格常数的BTO薄膜时,晶格在界面至30 nm之间完成弛豫过程。降温时,由于硅衬底的热膨胀系数较低,BTO薄膜受衬底约束,保持了弛豫后的大面内晶格常数,从而获得了面内铁电极化。基于此方法制备的2in的300 nm BTO晶圆膜展现出优异的晶体质量,摇摆曲线半峰宽为0.45°,表面粗糙度小于0.2 nm,c/a=0.994 <1,并具有显著的面内多畴结构。上述原位监控技术为分析BTO薄膜外延过程中的晶格弛豫及畴结构调控提供了关键信息,为硅基BTO电光器件集成奠定了材料基础。
关键词：钛酸钡;分子束外延;硅基异质集成;应变调控;面内极化
基金资助：国家重点研发计划(2021YFA1400400,2022YFA1402502,U24A2011); 国家自然科学基金(12434002); 江苏省自然科学基金(BK20233001); 中央高校基本科研业务费专项资金项目(021314380269,021314380277)
