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铁电薄膜的频率依赖关系研究

作　者: 董广军
导　师: 唐明华
学　校: 湘潭大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: CSD BNT BZT-PZT 铁电薄膜频率依赖关系
分类号: TM221
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

铁电存储器(FeRAM)与传统的EEPROM和FLASH存储器相比具有操作电压低、功耗低、存储密度大、读写时间短等优点,被认为是最具潜力的存储器之一。铋层状钙钛矿结构铁电薄膜抗疲劳性能好,自发极化大、保持性能好以及无铅化学成分,是取代铅基材料成为新的铁电存储器首选材料。制备高性能的薄膜是进行铁电存储器研究设计的基础,本文首先对铋层状钙钛矿结构薄膜制备工艺进行分析,同时对其频率依赖关系进行探索。本文采用化学溶液沉积法(CSD)在Pt/Ti/SiO2/Si基片上沉积制备Bi3.15Nd0.85Ti3O12 (BNT)铁电薄膜。利用X射线衍射分析仪(XRD)、电子扫描显微镜(SEM)对样品进行晶体结构和形貌分析。分析结果表明BNT薄膜具有典型的铋层状钙钛矿结构,呈现(00l)、(117)混合结晶取向,由大小为100 nm-500 nm的晶粒组成,样品表面光滑无裂纹,厚约600 nm。然后对BNT薄膜进行电滞回线(P-E)、电流-电压特性(I-V)测量,结果表明BNT薄膜具有良好的铁电性能,最大剩余极化Pr为22μC/cm2,且漏电流小于10-8 A (外加电压5 V)。利用铁电分析仪研究了不同退火条件、不同的Nd离子掺杂比例等工艺条件对BNT薄膜铁电性能的影响。通过对不同掺杂比例的薄膜电滞回线进行分析,发现当Nd离子的掺杂浓度为0.85时BNT薄膜具有最好的铁电性,在外加电场300 kV/cm时最大极化值(Pmax)达到41μC/cm2。分析了在不同的退火环境中制备的BNT薄膜的电滞回线,表明氧气中退火的薄膜性能优于氮气退火的薄膜;在不同温度退火制备的BNT薄膜电滞回线表明,在750°C下退火制备的BNT薄膜具有最大的剩余极化值,矩形度最好。通过改变测试频率,分别对BNT和[Bi(Zn0.5,Ti0.5)O3]0.03[Pb(Zr0.4,Ti0.6)O3]0.97 (BZT-PZT)薄膜的频率依赖关系进行分析。结果表明两种薄膜电滞回线具有很强的频率依赖性,随着测试频率的增加,电滞回线呈现内缩的趋势。在两种不同的薄膜中,剩余极化都随测试频率的增加而减小;在两种薄膜中,矫顽场在频率小于5 kHz时受频率影响不大,但在BZT-PZT中当频率大于5 kHz时,矫顽场迅速增大。铁电薄膜电畴翻转是表现电滞回性的根本原因,可以用电畴的翻转来解释频率依赖关系。电畴在电场作用下翻转,电场翻转周期减小,薄膜内部电畴的翻转受到影响,表现为频率依赖关系。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-20
  1.1 铁电材料  9-11
    1.1.1 铁电材料简介  9-10
    1.1.2 铁电材料的分类  10-11
  1.2 铁电薄膜  11-15
    1.2.1 铁电薄膜的发展历史  12
    1.2.2 铁电薄膜性能及应用  12-13
    1.2.3 铁电薄膜制备方法  13-15
  1.3 铁电存储器(FeRAM)  15-17
    1.3.1 铁电存储器概况  15-16
    1.3.2 铁电存储器的发展  16-17
  1.4 频率依赖关系  17-18
  1.5 选题背景及研究内容  18-20
第2章 BNT 铁电薄膜的 CSD 法制备  20-31
  2.1 化学溶液沉积法(CSD)  20-21
    2.1.1 CSD 法简介  20-21
    2.1.2 CSD 法基本原理  21
  2.2 实验设备  21-23
  2.3 实验材料  23-24
    2.3.1 实验器材  23
    2.3.2 实验所需药品  23
    2.3.3 衬底基片  23-24
  2.4 制备工艺  24-26
    2.4.1 前期准备工作  24
    2.4.2 配制前驱溶液  24-25
    2.4.3 薄膜制备  25-26
  2.5 薄膜测试与分析方法  26-30
    2.5.1 X 射线衍射分析(XRD)  26-27
    2.5.2 扫描电子显微镜(SEM)  27-28
    2.5.3 电学性能分析  28-30
  2.6 小结  30-31
第3章 BNT 薄膜微结构与铁电性分析  31-41
  3.1 BNT 薄膜结构分析  31-32
  3.2 BNT 薄膜SEM 形貌分析  32-34
  3.3 BNT 薄膜电学性能  34-36
    3.3.1 I-V 曲线  34-35
    3.3.2 P-V 曲线  35-36
  3.4 掺杂比例对BNT 薄膜铁电性能影响  36-37
  3.5 退火环境对BNT 薄膜铁电性能影响  37-39
    3.5.1 不同退火气氛对BNT 铁电性能的影响  38
    3.5.2 不同退火温度对BNT 铁电性能的影响  38-39
  3.6 小结  39-41
第4章铁电薄膜的频率依赖关系  41-49
  4.1 频率依赖关系  41-43
    4.1.1 频率依赖关系研究现状  41-42
    4.1.2 基于电滞回线模型的频率依赖关系研究  42-43
  4.2 BNT 薄膜频率依赖特性  43-44
  4.3 BZT-PZT 薄膜频率依赖特性  44-48
  4.4 小结  48-49
第5章工作总结与展望  49-51
  5.1 论文总结  49
  5.2 工作展望  49-51
参考文献  51-56
致谢  56-57
攻读硕士学位期间发表的论文和专利  57

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