钛酸锶钡、钛酸锶铌及多层铁电存储器研究

发布时间：2020-04-09 12:26

【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/cm~2,介电常数达到800以上,而介电损耗仅为0.01~0.03,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(8~13),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~(-10)A/cm~2,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V_c。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V_T和矫顽电压V_c之间存在线性关系;只要P-V回线的V_c确定,对应的V_T一定存在。V_T是E_c,和P_s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。
【图文】：

钙钛矿,晶格结构,钛酸锶钡

1 绪论1.1 钛酸锶钡的基本结构钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3，BST，BSTO)是钛酸钡(BaTiO3)与钛酸锶(SrTiO3)的固溶体[1]，是通过钛酸钡和钛酸锶的完好混合、相溶，不产生任何相凝聚和偏析而得到的[2]。通过调节材料中的 Ba/Sr 成分比，可改变材料的居里温度，以满足特定应用温度需要[3-6]。BaxSr1-xTiO3是典型的钙钛矿结构(ABO3)[7]，见图 1.1。较大的 Ba、Sr 离子占据顶角 A 位置，较小的 Ti 离子占据体心处的 B 位，六个面心则由 O 离子所占据．这些氧离子形成氧八面体，Ti 离子处于其中心．整个晶体可被看成是由氧八面体共顶点联接而成，各氧八面体之间的空隙则由 A 位离子 Ba/Sr 占据，所以 A 位的 Ba/Sr 和 B 位的Ti 离子的配位数分别为 12 和 6。钛酸锶钡 BST 的介质极化性质主要来源于 B 位 Ti离子偏离氧八面体中心的运动．

晶体结构,陶瓷电阻器

空气中传播的噪声，脉冲信号的干扰以及陶瓷电阻器。但是，ZnO 基陶瓷电阻器噪声吸收不良的缺点，不能达到 IC、LK 等公司于 80 年代开发了 SrTiO3(钛酸锶能力不如ZnO变阻器高，，但是它具有静的杂波有抑制作用，对高频噪声及快脉过渡特性和上冲等优点，且器件自恢复公开的专利上，将变阻器用到手机上，但缺点[131]，这要求变阻器有更低的转变电性能和非线性伏安特性，降低转变电压一问题[132]。自从 1959 年 Müller 首次研究多种离子掺杂的 SrTiO3[77, 83, 133-142]，杂元素，预期可以显著提高非线性电流。以降低 SrTiO3的 Fermi 能级，使其势垒
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TP333

【参考文献】