铁电薄膜的极化疲劳机理研究

论文摘要

铁电薄膜存储器具有高存取速度、高密度、抗辐射和不挥发等特点,引起了人们广泛的研究兴趣。应用于非挥发性存储器的铁电薄膜必须满足极化反转多次（≥1012）而不发生存储单元失效的要求。铁电薄膜的极化疲劳是导致存储单元失效的最重要的因素之一,人们进行了大量的研究来探寻极化疲劳的机理,然而至今仍没有一个令人满意的物理模型。本论文的工作主要是通过总结分析铁电薄膜极化疲劳的典型实验现象和已有的各种解释,提炼出极化疲劳的微观物理图像,建立合理的极化疲劳模型。研究了PZT铁电薄膜的极化疲劳机制。铁电薄膜的极化疲劳是一个多种因素共同参与的复杂过程,而以往的模型大多只考虑一种因素主导而忽略了其他的因素。本文在综合考虑氧空位向界面层的跃迁汇聚、电子注入还原高价阳离子产生新的氧空位以及局部相分解（LPD,Local phase decomposition）三种因素的基础上得出了极化疲劳过程的基本物理图像,认为铁电薄膜与电极界面附近氧空位浓度的增加和LPD是相互促进的。将电荷注入以及LPD理论引入到Dawber-Scott模型中,建立了一个综合考虑多种因素的解析形式的PZT薄膜极化疲劳模型。结合新建立的综合模型讨论了低介电常数界面层在疲劳过程中的作用,认为界面层对疲劳的产生起关键作用。运用该模型分析了不同松弛时间、电压、频率以及温度下的疲劳特性。在与已报道的实验结果进行对比后发现,模型计算结果与实验数据具有很好的一致性。研究了铋层类钙钛矿结构铁电薄膜的极化疲劳问题。本文从两种材料晶体结构的差异出发,总结了Bi2O22+层影响疲劳特性的三个方面。将Bi2O22+的三种作用引入到PZT薄膜极化疲劳的模型中,将其扩展为适用于铋层类钙钛矿结构铁电薄膜的疲劳模型。利用扩展模型分析了电压、频率、温度以及材料的介电常数和畴结构等因素对疲劳特性的影响。将理论模拟结果与文献报道的实验现象进行对比,验证了引入铋氧层作用的合理性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 铁电材料概述
• 1.2 铁电材料与铁电存储器
• 1.3 铁电薄膜的功能退化
• 1.3.1 保持性能损失
• 1.3.2 印记失效
• 1.3.3 极化疲劳
• 1.4 本论文的选题依据及主要内容
• 第二章 铁电薄膜的疲劳现象及机制
• 2.1 铁电薄膜极化疲劳的典型实验现象
• 2.1.1 不同电极材料和铁电材料的疲劳现象
• 2.1.2 温度对疲劳的影响
• 2.1.3 反转脉冲的强度、频率及波形对疲劳的影响
• 2.1.4 尺寸效应与疲劳
• 2.1.5 铁电薄膜的疲劳与电导
• 2.1.6 掺杂对疲劳的影响
• 2.2 疲劳机制
• 2.2.1 有效电极面积减小
• 2.2.2 有效电场强度降低
• 2.2.3 电畴反转能力下降
• 第三章 PZT 薄膜疲劳模型的建立和分析
• 3.1 氧空位迁移模型
• 3.1.1 有效电场
• 3.1.2 氧空位的迁移与聚集
• 3.2 电荷注入与局部相分解
• 3.2.1 电荷注入的微观过程
• 3.2.2 局部相分解
• 3.3 综合模型的建立
• 3.3.1 疲劳过程的物理图像
• 3.3.2 疲劳模型的数学表达
• 3.4 模型讨论与验证
• 3.4.1 界面层的作用
• 3.4.2 松弛时间对疲劳的影响
• 3.4.3 反转电压对疲劳的影响
• 3.4.4 反转频率对疲劳的影响
• 3.4.5 测试温度对疲劳的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 铋层类钙钛矿铁电薄膜的疲劳问题
• 4.1 铋层类钙钛矿铁电薄膜的疲劳机制
• 2O₂）²⁺层的作用'>4.2 （Bi₂O₂）²⁺层的作用
• 4.3 各种因素对疲劳特性的影响
• 4.3.1 测试频率对疲劳特性的影响
• 4.3.2 测试温度对疲劳特性的影响
• 4.3.3 测试电压对疲劳特性的影响
• 4.3.4 介电常数与疲劳的关系
• 4.3.5 畴结构与疲劳的关系
• 4.4 减轻疲劳的措施
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文