BaxSr1-xTiO3鐵電薄膜的制備及漏電流機理分析.pdf

1、鈦酸鍶鋇(BaxSr1-xTiO3,簡記為BST)薄膜具有介電常數(shù)大、介電損耗低、非線性強、漏電流小、居里溫度可調、熱釋電性高等特點,因此在超高密度集成的隨機存儲器(DRAM)、介質移相器、壓控濾波器和非制冷紅外探測等方面有著廣泛的應用前景。在器件中,BST薄膜工作在外加直流電壓下,過大的漏電流將嚴重影響薄膜器件的工作穩(wěn)定性和使用壽命。本文圍繞如何通過鎂摻雜和制作鈦酸鍶鋇與偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物(P(VDF-TrFE))的復合膜來減小

2、漏電流,以及低電場下漏電流機制的問題,通過實驗制備和理論計算的方法來研究BST薄膜的漏電流相關特性。
　　首先,采用溶膠凝膠法(Sol-Gel)在Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)基片上制備了Mg摻雜的鈦酸鍶鋇薄膜Ba0.4Sr0.6MgyTiO3(BSMT),研究了不同摻雜Mg含量和不同退火溫度對BSMT薄膜漏電流特性的影響。用X射線衍射、掃描電子顯微鏡確定薄膜樣品的成分和微觀結構,并對BSMT薄膜的電流-電壓特性(

3、I-V)進行了測量。研究表明,隨著Mg的加入,BSMT薄膜漏電流隨之減小。當薄膜在700℃退火時有最小的漏電流,這可以用在XRD觀察的薄膜在700℃下退火時結晶度最差來解釋。
　　接著,分析了BSMT在低電場區(qū)(小于115kV/cm)的漏電流機制。用實驗數(shù)據(jù)對比了兩個模型------肖特基模型(Schottky current model)和肖特基限制電流模型(Schottky-limited current model),其中前

4、者只適用于當絕緣體中的電子平均自由程大于或等于絕緣體厚度的情況,而后者則適用于相反的情況,實驗結果對兩種模型都符合得較好。文中提出了區(qū)分兩種模型的方法,通過進一步比較從兩種模型下所提取的光頻介電常數(shù)εr,結論表明肖特基限制電流模型更加符合實驗結果。在較高電場下,薄膜的漏電流機理為空間電荷限制電流(SCLC)。
　　最后,在Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)基片上制備了Ba0.4Sr0.6TiO3/P(VDF-TrFE)

5、雙層復合膜,其中Ba0.4Sr0.6TiO3薄膜層采用磁控濺射法,P(VDF-TrFE)薄膜層采用溶膠凝膠法(Sol-Gel)制作。考察了不同厚度P(VDF-TrFE)薄膜層對復合膜漏電流和電容值的影響。對復合薄膜的電流-電壓特性(I-V)、電容-電壓特性(C-V)一一進行了測量。實驗結果表明隨著P(VDF-TrFE)有機薄膜層的增加,復合薄膜的介電常數(shù)和漏電流有所降低。5V電壓下,當所加P(VDF-TrFE)有機層厚度為150nm時,