钛酸锶钡、钛酸锶铌及多层铁电存储器研究

论文摘要

本文包括钛酸锶钡、钛酸锶铌及铁电存储器的研究。分别评述了钛酸锶钡介电材料、钛酸锶铌陶瓷材料及铁电存储器的研究现状;并成功地设计了钛酸锶钡薄膜介电材料、钛酸锶铌陶瓷变阻器的制备工艺,以及多层铁电薄膜存储器;通过对材料的晶相结构测试分析以及电特性的研究,探讨了钛酸锶钡薄膜介电材料的高频及DRAM介质应用、钛酸锶铌陶瓷材料作为多功能器件的应用及铁电存储器的物理问题。主要内容如下:1)通过选择合适配比钛源溶剂及金属离子溶剂,建立了简单有机溶剂体系的“水基”溶胶凝胶法,提高了多成份溶胶对水的兼容性,适合于BST薄膜制备过程中进行多种离子掺杂,制备了掺杂Mn的BST铁电薄膜,薄膜结晶良好,表面致密。研究发现Mn掺杂对BST薄膜的漏电流和介电特性有较大的改善,漏电流密度达到0.1nA/cm2,介电常数达到800以上,而介电损耗仅为0.010.03,对于300nm的薄膜材料,这是已有文献中最好的数据。2)采用多种氧化物掺杂,制备了钛酸锶铌基变阻器陶瓷,其介电性能测试与公开文献相比,性能均优异,特别是V1mA最低（2V/mm）,α很大（813）,εeff大一个数量级以上（105）,tgδ小一个数量级（1%）,综合指标处于国际领先。4)新型铁电存储器研究。本文分析了Au/BIT/p-Si（100）,Au/PZT/BIT/p-Si（100）和Au/BIT/PZT/BIT/p-Si（100）三种结构铁电薄膜的存储器物理,系统地研究了多层铁电薄膜存储器电性能的本质问题,得出了以下的物理效应和规律:（1）漏电流效应。三种铁电薄膜结构的漏电流都很小,达到了10-10A/cm2,满足铁电存储器的要求。（2）内建电场。计算了内建电压,对靠近界面的能带弯曲产生影响,可导致能带的不对称性,并引起不对称的整流效应、刻印失败和退极化;（3）电容效应。为了使C-t曲线的斜率不下降,退极化场Edep必须小于矫顽场,即?Vb必须低于Vc。以上三点证明了三层结构Au/BIT/PZT/BIT/p-Si（100）的不对称性、失效与退极化,电容降斜率都是最小的,而剩余电荷最多,并有最大的存储窗口,是新型存储器的最佳而且唯一的选择。（4）频率效应。在高频时,随着频率的增加,在铁电层表面邻近的耗尽层宽度增大,使得界面电位降和内建电压差增大,形成了多层结构铁电薄膜的工作频率的上限,根据拟合公式外推的上限工作频率为46MHz。（5）VT与VC关系式。根据MFS多层电容器的特性,设计并制造了一个新型MFS结构的多层铁电存储器Au/BIT/PZT/BIT/p-Si（100）,该存储器具有I-V回线特征,并得到了晶粒边界势垒高度与矫顽场的关系,进而得到了转变电压与矫顽场的关系。这个关系诱导着I-V回线与P-V回线对应的关系,并用来区别以I-V回线操作的新的铁电存储器的逻辑“1”和“0”状态。这些关系是非挥发存储器进行非破坏读出的条件。转变电压VT和矫顽电压Vc之间存在线性关系;只要P-V回线的Vc确定,对应的VT一定存在。VT是Ec,和Ps的函数,这是铁电存储器的理论基础。这些关系是I-V回线与P-V回线的匹配条件,可以实现“1”和“0”的读出。（6）演示出存储器的存储波形。以上这些效应是互相关联的,并由此可能解释更多的铁电材料与铁电器件的特殊现象。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 钛酸锶钡的基本结构
• 1.2 钛酸锶钡的基本性质与应用
• 1.3 钛酸锶钡薄膜电容器的研究
• 1.4 钛酸锶钡薄膜的制备方法
• 1.5 本文选题的依据及研究的主要内容
• 2 硅基钛酸锶钡薄膜的溶胶凝胶法制备研究
• 2.1 引言
• 2.2 薄膜的制备
• 2.3 晶体结构与X 射线光电子能谱分析
• 2.4 结果与讨论
• 2.5 本章小结
• 3 钛酸锶钡薄膜的掺杂与介电性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 I-V 特性
• 3.3 介电性质
• 3.4 本章小结
• 4 钛酸锶基压敏电阻器陶瓷的制备及特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 5 铁电薄膜界面电位降及内建电压对漏电及退极化的影响
• 5.1 引言
• 5.2 多层结构铁电存储器
• 5.3 本文选题的依据及研究的主要内容
• 5.4 多层铁电薄膜结构设计
• 5.5 多层结构铁电薄膜的界面分析
• 5.6 电容保持性
• 5.7 存储窗口
• 5.8 退极化
• 5.9 失效
• 5.10 本章小结
• 6 多层铁电薄膜的频率特性研究
• 6.1 引言
• 6.2 同一频率工作下不同结构的C-V 特性及其界面电位降的研究
• 6.3 同一结构不同频率工作界面电位降的研究
• 6.4 本章小结
• 7 I-V 回线与P-V 回线的关系、存储器操作理论及波形图
• 7.1 引言
• 7.2 有I-V 回线的Au/BIT/PZT/BIT/p-Si（100）存储器
• 7.3 I-V 特性曲线的转变电压与P-E 回线的矫顽场的关系
• 7.4 存储器波形
• 7.5 本章小结
• 8 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表的论文目录