【摘要】： 本文包括鈦酸鍶鋇、鈦酸鍶鈮及鐵電存儲器的研究。分別評述了鈦酸鍶鋇介電材料、鈦酸鍶鈮陶瓷材料及鐵電存儲器的研究現(xiàn)狀;并成功地設(shè)計了鈦酸鍶鋇薄膜介電材料、鈦酸鍶鈮陶瓷變阻器的制備工藝,以及多層鐵電薄膜存儲器;通過對材料的晶相結(jié)構(gòu)測試分析以及電特性的研究,探討了鈦酸鍶鋇薄膜介電材料的高頻及DRAM介質(zhì)應(yīng)用、鈦酸鍶鈮陶瓷材料作為多功能器件的應(yīng)用及鐵電存儲器的物理問題。主要內(nèi)容如下: 1)通過選擇合適配比鈦源溶劑及金屬離子溶劑,建立了簡單有機溶劑體系的“水基”溶膠凝膠法,提高了多成份溶膠對水的兼容性,適合于BST薄膜制備過程中進行多種離子摻雜,制備了摻雜Mn的BST鐵電薄膜,薄膜結(jié)晶良好,表面致密。研究發(fā)現(xiàn)Mn摻雜對BST薄膜的漏電流和介電特性有較大的改善,漏電流密度達到0.1nA/cm~2,介電常數(shù)達到800以上,而介電損耗僅為0.01~0.03,對于300nm的薄膜材料,這是已有文獻中最好的數(shù)據(jù)。 2)采用多種氧化物摻雜,制備了鈦酸鍶鈮基變阻器陶瓷,其介電性能測試與公開文獻相比,性能均優(yōu)異,特別是V1mA最低(2V/mm),α很大(8~13),εeff大一個數(shù)量級以上(105),tgδ小一個數(shù)量級(1%),綜合指標處于國際領(lǐng)先。 4)新型鐵電存儲器研究。本文分析了Au/BIT/p-Si(100),Au/PZT/BIT/p-Si(100)和Au/BIT/PZT/BIT/p-Si(100)三種結(jié)構(gòu)鐵電薄膜的存儲器物理,系統(tǒng)地研究了多層鐵電薄膜存儲器電性能的本質(zhì)問題,得出了以下的物理效應(yīng)和規(guī)律: (1)漏電流效應(yīng)。三種鐵電薄膜結(jié)構(gòu)的漏電流都很小,達到了10~(-10)A/cm~2,滿足鐵電存儲器的要求。 (2)內(nèi)建電場。計算了內(nèi)建電壓,對靠近界面的能帶彎曲產(chǎn)生影響,可導(dǎo)致能帶的不對稱性,并引起不對稱的整流效應(yīng)、刻印失敗和退極化; (3)電容效應(yīng)。為了使C-t曲線的斜率不下降,退極化場Edep必須小于矯頑場,即?Vb必須低于V_c。 以上三點證明了三層結(jié)構(gòu)Au/BIT/PZT/BIT/p-Si(100)的不對稱性、失效與退極化,電容降斜率都是最小的,而剩余電荷最多,并有最大的存儲窗口,是新型存儲器的最佳而且唯一的選擇。 (4)頻率效應(yīng)。在高頻時,隨著頻率的增加,在鐵電層表面鄰近的耗盡層寬度增大,使得界面電位降和內(nèi)建電壓差增大,形成了多層結(jié)構(gòu)鐵電薄膜的工作頻率的上限,根據(jù)擬合公式外推的上限工作頻率為46MHz。 (5)VT與VC關(guān)系式。根據(jù)MFS多層電容器的特性,設(shè)計并制造了一個新型MFS結(jié)構(gòu)的多層鐵電存儲器Au/BIT/PZT/BIT/p-Si(100),該存儲器具有I-V回線特征,并得到了晶粒邊界勢壘高度與矯頑場的關(guān)系,進而得到了轉(zhuǎn)變電壓與矯頑場的關(guān)系。這個關(guān)系誘導(dǎo)著I-V回線與P-V回線對應(yīng)的關(guān)系,并用來區(qū)別以I-V回線操作的新的鐵電存儲器的邏輯“1”和“0”狀態(tài)。這些關(guān)系是非揮發(fā)存儲器進行非破壞讀出的條件。轉(zhuǎn)變電壓V_T和矯頑電壓V_c之間存在線性關(guān)系;只要P-V回線的V_c確定,對應(yīng)的V_T一定存在。V_T是E_c,和P_s的函數(shù),這是鐵電存儲器的理論基礎(chǔ)。這些關(guān)系是I-V回線與P-V回線的匹配條件,可以實現(xiàn)“1”和“0”的讀出。 (6)演示出存儲器的存儲波形。 以上這些效應(yīng)是互相關(guān)聯(lián)的,并由此可能解釋更多的鐵電材料與鐵電器件的特殊現(xiàn)象。
【圖文】：

1 緒論1.1 鈦酸鍶鋇的基本結(jié)構(gòu)鈦酸鍶鋇(BaxSr1-xTiO3，BST，BSTO)是鈦酸鋇(BaTiO3)與鈦酸鍶(SrTiO3)的固溶體[1]，是通過鈦酸鋇和鈦酸鍶的完好混合、相溶，不產(chǎn)生任何相凝聚和偏析而得到的[2]。通過調(diào)節(jié)材料中的 Ba/Sr 成分比，可改變材料的居里溫度，以滿足特定應(yīng)用溫度需要[3-6]。BaxSr1-xTiO3是典型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(ABO3)[7]，見圖 1.1。較大的 Ba、Sr 離子占據(jù)頂角 A 位置，較小的 Ti 離子占據(jù)體心處的 B 位，六個面心則由 O 離子所占據(jù)．這些氧離子形成氧八面體，Ti 離子處于其中心．整個晶體可被看成是由氧八面體共頂點聯(lián)接而成，各氧八面體之間的空隙則由 A 位離子 Ba/Sr 占據(jù)，所以 A 位的 Ba/Sr 和 B 位的Ti 離子的配位數(shù)分別為 12 和 6。鈦酸鍶鋇 BST 的介質(zhì)極化性質(zhì)主要來源于 B 位 Ti離子偏離氧八面體中心的運動．

空氣中傳播的噪聲，脈沖信號的干擾以及陶瓷電阻器。但是，ZnO 基陶瓷電阻器噪聲吸收不良的缺點，不能達到 IC、LK 等公司于 80 年代開發(fā)了 SrTiO3(鈦酸鍶能力不如ZnO變阻器高，，但是它具有靜的雜波有抑制作用，對高頻噪聲及快脈過渡特性和上沖等優(yōu)點，且器件自恢復(fù)公開的專利上，將變阻器用到手機上，但缺點[131]，這要求變阻器有更低的轉(zhuǎn)變電性能和非線性伏安特性，降低轉(zhuǎn)變電壓一問題[132]。自從 1959 年 Müller 首次研究多種離子摻雜的 SrTiO3[77, 83, 133-142]，雜元素，預(yù)期可以顯著提高非線性電流。以降低 SrTiO3的 Fermi 能級，使其勢壘
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2006
【分類號】：TP333

【參考文獻】

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本文編號：2620754