超薄铁电薄膜的制备及隧穿机理研究

论文摘要

超薄铁电薄膜由于具有量子隧穿效应和电阻反转效应,可用于制备铁电存储器件,广泛应用于军事、卫星通信、汽车设计等领域,是当前存储器领域研究的热点。本文采用磁控溅射法制备超薄BaTiO3（BT）铁电薄膜,研究薄膜微结构和电性能,探讨超薄铁电薄膜的导电及隧穿机理。取得的主要实验结果如下：1、研究了TiO2-x过渡层对电极质量的影响,形貌测试表明没有TiO2-x的底电极由于Ti层氧化后结构不平整导致溅射薄膜后其表面出现山丘状亮光斑点,成分测试表明亮点主要成分是Pt。用TiO2-x来代替Ti作为电极与衬底之间的过渡层后,Pt电极表面不再出现山丘状突起,因此获得表面平整的Pt底电极,有利于制备超薄铁电薄膜。2、采用磁控溅射法制备超薄BT铁电薄膜,通过正交设计方法摸索优化工艺参数。通过直观分析法得出氧氩比为1/3、工作气压为4Pa、衬底温度为630℃、退火温度为730℃时薄膜剩余极化值最大。通过分析各工艺参数对薄膜剩余极化值的影响,结果表明工作气压可以进一步优化。最后确定工作气压为3Pa制备的BT薄膜微结构和电性能最好。因此,在功率、靶基距一定情况下,确定优化工艺为O2/Ar为1/3、工作气压为3Pa、衬底温度为630℃、退火温度为730℃。3、研究了不同厚度BT超薄铁电薄膜的微结构。XRD晶相分析表明薄膜均为（111）方向取向生长的钙钛矿结构。采用谢乐公式计算了不同厚度薄膜的晶粒大小约为46nm。SEM结果表明薄膜界面清晰、结合紧密、厚度均匀。测试了BT超薄铁电薄膜的电滞回线,发现随着厚度的减小,薄膜剩余极化值和矫顽场均急剧降低。Ⅰ-Ⅴ曲线测试表明薄膜中先出现单极性电阻反转现象,然后出现双极性电阻反转现象。4、建立了Pt/BT/Pt隧道结和Pt/BT/SrTiO3:Nb隧道结的等效电路,分析了电子隧穿过程。将电流-电压曲线作不同线性拟合,探讨单极性开关和双极性开关形成的物理机制。结果表明Pt/BT/Pt隧道结中存在SCLC机制、Schottky发射、P-F发射三种物理机制,Pt/BT/SrTiO3:Nb隧道结中存在Schottky发射、P-F发射两种物理机制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 铁电材料研究概况
• 1.2 铁电隧道结
• 1.2.1 引言
• 1.2.2 铁电隧道结研究概况
• 1.3 本文的选题背景及其主要研究内容
• 1.3.1 本文的选题背景
• 1.3.2 本文研究的主要内容
• 1.4 本论文的主要实验仪器
• 第二章 磁控溅射法制备超薄铁电薄膜
• 2.1 引言
• 2.1.1 溅射法原理
• 2.1.2 X射线衍射
• 2.1.3 SEM技术
• 2.1.4 AFM技术
• 2.1.5 正交设计法概述
• 2.2 Pt电极的制备
• 2/Si基片清洗'>2.2.1 SiO₂/Si基片清洗
• 2.2.2 电极制备工艺
• 2-x过渡层对Pt底电极影响'>2.2.3 TiO_2-x过渡层对Pt底电极影响
• 3超薄铁电薄膜的制备'>2.3 BaTiO₃超薄铁电薄膜的制备
• 2.3.1 靶材的制备
• 2.3.2 铁电薄膜制备方案设计
• 2.3.3 优化工艺
• 2.4 本章小结
• 3超薄铁电薄膜的微结构和电学性能'>第三章 BaTiO₃超薄铁电薄膜的微结构和电学性能
• 3.1 超薄铁电薄膜的微结构
• 3超薄薄膜的XRD分析'>3.1.1 BaTiO₃超薄薄膜的XRD分析
• 3超薄薄膜的SEM表面和断面分析'>3.1.2 BaTiO₃超薄薄膜的SEM表面和断面分析
• 3.2 超薄铁电薄膜的电学性能
• 3.2.1 电滞回线
• 3.2.2 电流-电压曲线
• 3.3 本章小结
• 第四章 超薄铁电薄膜的隧穿机理
• 4.1 引言
• 4.1.1 体效应模型
• 4.1.2 界面效应模型
• 3隧道结的隧穿机理'>4.2 BaTiO₃隧道结的隧穿机理
• 3/Pt隧道结的隧穿机理'>4.2.1 Pt/BaTiO₃/Pt隧道结的隧穿机理
• 3/SrTiO₃隧道结的隧穿机理'>4.2.2 Pt/BaTiO₃/SrTiO₃隧道结的隧穿机理
• 4.3 本章小结
• 全文总结
• 参考文献
• 附录
• 致谢