一种获得单一钛氧终止的绝缘钛酸锶(001)表面的方法与流程

本发明属于半导体材料领域，具体涉及一种获得单一钛氧终止的绝缘钛酸锶(001)表面的方法。

背景技术：

绝缘钛酸锶(001)单晶是一种外延薄膜材料的合适衬底，但是刚买来的绝缘钛酸锶(001)单晶表面是锶氧和钛氧的混合表面，非常粗糙，不适合高质量薄膜外延，因此需要通过一定方法的处理，要求达到：1.单一钛氧截止；2.均匀台阶高度，均为0.4nm；3.保持绝缘，不缺氧；4.表面超洁净。

目前常用的绝缘钛酸锶(001)单晶的处理方法是酸(盐酸、氢氟酸或硝酸)腐蚀，首先通过酸腐蚀掉表面的sro层，再利用管式炉高温退火重塑表面，获得单一钛氧终止的表面，如图1所示。这种处理方法的缺点在于：1.表面洁净性差，钛酸锶(001)单晶经过多种溶液的浸泡以及管式炉的退火的复杂过程，表面易被污染；2.处理得到的钛酸锶(001)表面台阶不直，影响后续的薄膜外延；3.可控性差，失败率高，酸的浓度及酸腐蚀的时间不易控制；4.推广性差，不同的实验室重复同样的工艺，需要摸索大量的工艺参数，比如酸的浓度、酸的温度、腐蚀的时间、退火的温度、退火的时间等，每个参数都会极大地影响钛酸锶(001)单晶的表面形貌。5.处理好的钛酸锶(001)单晶放入真空腔体后，仍需要经过30分钟-3小时不等的中高温退火处理，来消除表面的吸附物，流程复杂。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种获得单一钛氧终止的绝缘钛酸锶(001)表面的方法。

本发明提供的获得单一钛氧终止的绝缘钛酸锶(001)表面的方法，包括：

将钛酸锶单晶用溶剂超声清洗后置于超高真空腔体中，将所述钛酸锶单晶加热后除气，再继续升温进行退火，退火完毕后降温，降温完毕后保持温度不变通入氧气，通完氧气后继续降温至室温，抽走氧气。

上述方法中，所述溶剂选自丙酮和酒精中至少一种；所述用溶剂超声清洗具体可为依次用丙酮和酒精进行超声清洗；

所述钛酸锶单晶与溶剂的用量比为1片：10-50ml；

所述1片钛酸锶单晶的规格为1cm×1cm×0.5mm；

所述超声步骤中，功率为100-500w；具体为200w；时间为3-10min；具体为5min；

所述超高真空腔体的本底真空高于1×10^-9torr。

将所述钛酸锶单晶加热步骤中，加热的终温为520-600℃；具体为550℃；

所述除气步骤中，除气时间为30分钟-3小时。

所述退火步骤中，温度为1020℃-1060℃；具体为1050℃；

时间为45分钟-1h。

第一次(指退火完毕后降温步骤)所述降温步骤中，降温后的终温为550-600℃；

第一次和第二次(指通完氧气后继续降温步骤)所述降温步骤中，降温速率均为20℃/分钟-50℃/分钟。

所述通入氧气步骤中，氧气的压强为1×10^-4-5×10^-4torr；

通入氧气保持的时间为30-60分钟。

所述氧气为高纯氧气。

另外，按照上述方法制备得到的单一钛氧终止的绝缘钛酸锶(001)表面及所述单一钛氧终止的绝缘钛酸锶(001)表面在薄膜外延生长中的应用，也属于本发明的保护范围。

本发明提供的获得单一钛氧终止的绝缘钛酸锶(001)表面的方法，所得钛酸锶(001)表面具有绝缘性以及单一钛氧终止，该方法可控性好，成功率达百分之百，所获得的表面可以用于外延生长不同的薄膜材料。

附图说明

图1为现有处理绝缘钛酸锶(001)单晶的方法。a.文献(appl.phys.lett.93,0619092008)中给出的利用盐酸和硝酸混合溶液加退火工艺处理得到的钛酸锶(001)的表面形貌.b利用缓释的氢氟酸处理得到的钛酸锶(001)的表面形貌。

图2为处理的流程示意图：a.真空中1050℃退火1小时，让sro脱附；b.在氧气中600℃退火30分钟补氧。

图3为处理前后钛酸锶单晶表面的形貌。a.刚买来的钛酸锶单晶的表面(原子力显微镜结果)；b.真空1050℃退火后的表面形貌，插图为对应的反射式的高能电子显微镜图；c.600℃氧气中补氧之后的形貌，插图为对应的反射式的高能电子显微镜图。

图4为处理前后钛酸锶单晶表面的颜色。a.刚买来的钛酸锶单晶的颜色；b.真空1050℃退火后的颜色；c.600℃氧气中补氧之后的颜色。

图5为处理得到的钛酸锶单晶绝缘性证明。a.测试的示意图；b.4200仪器测试的照片；c测试得到的i-v曲线，在正负20v电压下，电流值均小于仪器的测量极限。

图6为处理得到的钛酸锶单晶表面的x射线光电子能谱的探测结果，a.sr；b.ti.处理得到的钛酸锶(001)单晶表面的钛/锶比例为1.15。

图7为1080℃退火后得到的钛酸锶(001)单晶表面的形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。下述实施例中，测温方式均为红外加热。

实施例1、一种获得单一钛氧终止的绝缘钛酸锶(001)表面的方法

a.将一片(1cm×1cm×0.5mm)钛酸锶(001)单晶依次用10ml丙酮和10ml酒精于200w下超声清洗5min，去除表面的有机杂质。之后将钛酸锶(001)单晶放到超高真空腔体中，本底真空高于1×10^-9torr；

b.将钛酸锶(001)单晶加热到550℃除气30分钟，以去除表面吸附的水汽和分子杂质等。

c.将钛酸锶(001)单晶加热到1050℃退火1小时，使表面的锶氧脱附，同时剩余的钛氧层在高温下形成有序的单台阶排列。

d.将钛酸锶(001)单晶以20℃/分钟的降温速率降温到600℃，同时通入1×10^-4torr的高纯氧气，保持30分钟，让钛酸锶单晶充分补氧。

e.将钛酸锶(001)单晶以20℃/分钟的降温速率降温到室温，再抽走氧气，即可获得单一钛氧终止得绝缘钛酸锶(001)表面。

图2为处理的流程示意图：a.真空中1050℃退火1小时，让sro脱附；b.在氧气中600℃退火30分钟补氧。

图3为处理前后钛酸锶单晶表面的形貌。a.刚买来的钛酸锶单晶的表面(原子力显微镜结果)；b.真空1050℃退火后的表面形貌，插图为对应的反射式的高能电子显微镜图；c.600℃氧气中补氧之后的形貌，插图为对应的反射式的高能电子显微镜图。

图4为处理前后钛酸锶单晶的颜色。a刚买来得钛酸锶单晶的颜色；b.真空1050℃退火后的颜色；c.600℃氧气中补氧之后的颜色。

由图4可知，刚买来的钛酸锶单晶表面是无序的、没有规则台阶存在，这样的表面不适合外延高质量的薄膜(如图4中a所示)。1050℃退火过程(如图4中b所示)中，锶氧脱附，剩下的钛氧形成有序的单台阶结构，高度统一为0.4nm，但是真空中高温退火后钛酸锶单晶的颜色变成了黑色，这是因为真空高温退火过程中，氧原子从钛酸锶单晶中脱附了，在钛酸锶单晶中形成了大量氧空位，使得钛酸锶由绝缘单晶转变为了导电单晶。600℃补氧(如图4中c所示)之后，对表面的形貌没有影响，仅仅将钛酸锶单晶的颜色由黑色恢复到了透明色，钛酸锶单晶又恢复了绝缘性。

图5为处理得到的钛酸锶单晶进行的输运测量表征，该结果可证明其绝缘性。a.测试的示意图；b.4200仪器测试的照片；c测试得到的i-v曲线，在正负20v电压下，电流值均小于仪器的测量极限。可以发现在-20v到20v的电压下，电流值均小于了仪器的测量极限，证明了处理得到的钛酸锶(001)单晶具有良好的绝缘性。

图6为处理之后的钛酸锶单晶进行的x射线光电子能谱的表征结果，利用origin软件获取钛ti2p和锶sr3d的峰面积，计算得出钛和锶的比例为1.15：1，结合所有台阶高度统一均为0.4nm，没有半层高度存在，证明处理之后的钛酸锶(001)表面为单一钛氧截止。

对照例1

按照实施例1的步骤，仅将真空度由实施例1的1×10^-9torr替换为2×10^-10mbar，而不进行后续的补氧处理工艺，所得处理后的钛酸锶单晶表面的颜色如图4中b所示。由图可知，这样处理得到的样品是黑色的，为导电性的、非绝缘性，因此用该方法处理得到的表面并不是本发明所得的单一钛氧终止的绝缘钛酸锶(001)表面。

对照例2

按照实施例1的步骤，仅将退火温度升高到1080℃，得到的钛酸锶(001)衬底的表面如图7所示，该表面的台阶出现聚集，台阶高度变为4.5nm,不再是均匀单台阶高度(0.4nm)的表面。

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