论文摘要
强介电材料一般为铁电体,其体材料具有非常大的介电常数（几百到几千）,其多晶薄膜的介电常数也能达到100以上,居里温度和介电性能可通过元素组分比来调制。随着微电子集成技术的进步,特别是铁电薄膜制备技术的一系列突破,人们已经成功的制备出性能优良的铁电薄膜,工作电压可以在3-5V,可与Si或GaAs电路集成,这很大的促进了铁电薄膜的制备与器件应用研究的发展,使之在微电子学、光电子学、集成光学和微机械系统等领域有着广泛的应用前景。当前提高集成电路性能和性能/价格比的主要途径仍是继续缩小器件的特征尺寸。随着器件尺寸的缩小,为了抑制短沟道效应,保证器件有良好的器件特性,需要同时减小栅氧化层的厚度,而因栅氧厚度的减小引起的栅介质的漏电流和可靠性将成为十分严重的问题。为此,人们提出了采用具有高介电常数的栅介质（通常称为高K栅介质）的解决途径。目前正在研究的高介电常数栅介质的很大一部分是强介电材料,如钙钛矿相氧化物。与Ⅲ族金属氧化物和Ⅵ族金属氧化物相比,此类材料的介电常数较高,应用前景很好。本文选择了传统的强介电材料锆钛酸铅（PZT）为研究对象,采用溶胶-凝胶的工艺制备薄膜,并且研究了它的Si-MOS电容的电学性质。强介电材料中有很大一类为Bi系层状钙钛矿结构材料,又称为Aurivillius结构材料,这类铁电材料是铋层与类钙钛矿层交替形成的复合氧化物,具有铁电性的钙钛矿结构子晶格即氧八面体被非铁电性的Bi202层分隔开来,形成一种天然的超晶格结构。因具有无疲劳特性、长的极化寿命和在亚微米（小于100 nm）厚度下,仍具有体材料的优良电学性质等,Bi系层状钙钛矿结构铁电薄膜已成为铁电物理学中最热门的研究材料之一,并成为铁电存储器首选材料。Bi系层状钙钛矿结构中研究最多的是SBT系列薄膜材料。目前,人们已对SBT系列薄膜的电学性质作了较多的研究,但迄今为止,对SBT系列薄膜光学性质的报道还很少。SBT系列薄膜在电光器件如光开关、光调节器、光显示器件和红外探测器等方面具有广泛的应用前景。因此,对SBT系列薄膜的电学和光学性质的研究具有重要的意义。在本文中,我们进行了SBTN薄膜的疲劳特性以及光学性质的研究。论文第一章首先引入了介电材料的概念,然后介绍了强介电材料的概念、分类和性质,以及强介电材料Si-MOS研究背景及其现状和强介电材料光电性质研究背景及其现状,在此基础之上,我们分析了本文的研究意义以及本文要做的工作。论文第二章概述了目前几种制备强介电材料的工艺,我们详细讨论了溶胶-凝胶（Sol-gel）法的反应机理,以及溶胶-凝胶工艺中几个关键参数对所制备薄膜质量的影响,包括原料的选择、计量比、溶液的浓度与粘度、添加剂、PH值和缓冲层的影响。本章详细讨论了脉冲激光沉积（PLD）的沉积过程,重点讨论了沉积过程中的几个关键参数对所制备薄膜质量的影响,包括靶材的致密度、激光能量、激光频率、沉积气氛与氧压、靶-基距离和衬底温度的影响。我们还讨论了后续退火工艺的选择和快速热退火（RTP）的优点,讨论了退火时间、退火温度和退火环境的影响。论文第三章研究了锆钛酸铅（PZT）薄膜Si-MOS电容特性,我们采用Sol-gel方法制备了PZT薄膜,并制作出Al/PZT/Si电容结构,测量了电容结构的C-V特性和漏电流特性。我们考察了有氧退火和引入PT缓冲层的方法对A1/PZT/Si结构电学特性的影响并分析了其中的机理。论文第四章研究了SrBi2Ta2-,Nbx09（SBTN）薄膜的光电性质。SBTN的疲劳实验分为电学疲劳实验和光学疲劳实验,我们分析了SBTN薄膜的疲劳特性机理。我们用椭偏的方法研究了SBTN薄膜的光学性质,通过测量SBTN薄膜在紫外可见与红外波段的椭圆偏振光谱,确定了其折射系数与消光系数,并考察了不同的Nb含量对薄膜光学常数的影响。论文第五章总结了本论文关于强介电材料的Si-MOS电容特性和光电性质的研究,并且展望了下一步要做的工作。