介质移相器用铁电薄膜性能优化研究

论文摘要

作为介质移相器用的铁电薄膜材料，必须具有介电常数大、非线性强、介质损耗（tgδ）小、漏电流低等特性。本文通过对退火温度、择优取向、组分梯度的研究，对钛酸锶钡（BST）薄膜进行了性能优化。采用射频磁控溅射法，成功制备出锆钛酸钡（BZT）薄膜，并研究了氧氩比和Zr／Ti比对BZT薄膜性能的影响。最后对BST、BZT薄膜进行了可靠性测试。取得了以下研究结果：1．在不同基片上制备出的BST薄膜能承受的最高退火处理温度不同，分别为900℃（Al2O3基片）、1100℃（LaAlO3基片）和1200℃（MgO基片）。基片的晶格常数和热膨胀系数是影响承受温度的主要因素。退火温度越高，BST薄膜的偏压特性越好，优值越高。2．在（110）方向择优的BST薄膜铁电性要强于在（100）方向择优的，BST（110）薄膜具有更大的介电常数和调谐率，更小的tgδ。3．具有组分梯度的BST薄膜具有更低的介质损耗，但调谐率方面不如单层结构。Ba0．5Sr0.5TiO3／Ba0．6Sr0．4TiO3结构性能要优于Ba0．6Sr0．4TiO3／Ba0.5Sr0．5TiO3结构。4．采用射频磁控溅射法，成功制备出BZT多晶薄膜。BZT薄膜结晶良好，平整致密，无针孔，晶粒大小均匀，具有较低的漏电流。薄膜铁电性较弱，偏压电场为400kV／cm时，调谐率为15％，tgδ为0．016。膜厚减半后（偏压电场为800kV／cm）调谐率增至33．5％，tgδ为0．021。5．随着沉积时O2／Ar比的增大，BZT薄膜取向由（l00）方向逐渐向（111）方向转变。薄膜的晶粒大小、表面粗糙度、介电常数、调谐率和tgδ都随着O2／Ar比的升高而增大。BZT薄膜的铁电性也得到增强。6．对比BaZr0．2Ti0．8O3薄膜和BaZr0.1Ti0．9O3薄膜，发现减少Zr4+的含量，BZT薄膜的铁电性、介电常数和调谐率都变大了，尤其是调谐率，增至60．5％（偏压电场为800kV／cm）。7．在-30℃～130℃范围内，BST和BZT薄膜介电常数随温度的升高缓慢增大，并未出现居里点。-50℃～150℃，1MHz下，BST和BZT薄膜具有较好的温度稳定性。同时发现BST和BZT薄膜的偏压特性具有很好的抗疲劳特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 铁电薄膜移相器的研究现状
• 1.1.1 铁电移相器的基本原理
• 1.1.2 铁电薄膜移相器的分类
• 1.2 介质移相器用铁电薄膜材料的研究现状
• 1.2.1 铁电薄膜的制备技术
• 1.2.2 BST铁电薄膜的性能优化
• 1.2.3 其它铁电薄膜材料研究
• 1.3 本论文的研究背景及内容
• 第二章 铁电薄膜的制备与分析测试
• 2.1 射频磁控溅射
• 2.1.1 射频磁控溅射原理
• 2.1.2 射频磁控溅射设备
• 2.2 实验过程
• 2.2.1 工艺流程
• 2.2.2 薄膜制备
• 2.2.3 薄膜微结构分析
• 2.2.4 薄膜电性能测试
• 2.2.5 薄膜可靠性测试
• 第三章 BST铁电薄膜
• 3.1 BST的退火温度研究
• 2O₃基片'>3.1.1 Al₂O₃基片
• 3基片'>3.1.2 LaAlO₃基片
• 3.1.3 MgO基片
• 3.1.4 退火温度对BST薄膜性能的影响
• 3.1.5 小结
• 3.2 BST的择优取向研究
• 3.2.1 BST薄膜的制备
• 3.2.2 性能测试与对比分析
• 3.2.3 小结
• 3.3 BST的组分梯度研究
• 3.3.1 BST薄膜的制备
• 3.3.2 单层结构
• 3.3.3 梯度结构
• 3.3.4 小结
• 第四章 BZT铁电薄膜
• 4.1 BZT薄膜的制备和性能测试
• 4.1.1 BZT薄膜的制备
• 4.1.2 BZT薄膜的性能测试
• 4.1.3 小结
• 4.2 氧氩比对BZT薄膜性能的影响
• 4.2.1 BZT薄膜的制备
• 4.2.2 性能测试与对比分析
• 4.2.3 小结
• 4.3 Zr/Ti比对BZT薄膜性能的影响
• 4.3.1 BZT薄膜的制备
• 4.3.2 性能测试与对比分析
• 4.3.3 小结
• 第五章 铁电薄膜温度和疲劳特性测试
• 5.1 铁电薄膜温度特性测试
• 5.1.1 铁电薄膜薄膜的介温特性测试
• 5.1.2 铁电薄膜温度稳定性测试
• 5.2 铁电薄膜疲劳特性测试
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果