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铁电薄膜的频率依赖关系研究

董广军  
【摘要】: 铁电存储器(FeRAM)与传统的EEPROM和FLASH存储器相比具有操作电压低、功耗低、存储密度大、读写时间短等优点,被认为是最具潜力的存储器之一。铋层状钙钛矿结构铁电薄膜抗疲劳性能好,自发极化大、保持性能好以及无铅化学成分,是取代铅基材料成为新的铁电存储器首选材料。制备高性能的薄膜是进行铁电存储器研究设计的基础,本文首先对铋层状钙钛矿结构薄膜制备工艺进行分析,同时对其频率依赖关系进行探索。 本文采用化学溶液沉积法(CSD)在Pt/Ti/SiO2/Si基片上沉积制备Bi3.15Nd0.85Ti3O12 (BNT)铁电薄膜。利用X射线衍射分析仪(XRD)、电子扫描显微镜(SEM)对样品进行晶体结构和形貌分析。分析结果表明BNT薄膜具有典型的铋层状钙钛矿结构,呈现(00l)、(117)混合结晶取向,由大小为100 nm-500 nm的晶粒组成,样品表面光滑无裂纹,厚约600 nm。然后对BNT薄膜进行电滞回线(P-E)、电流-电压特性(I-V)测量,结果表明BNT薄膜具有良好的铁电性能,最大剩余极化Pr为22μC/cm2,且漏电流小于10-8 A (外加电压5 V)。 利用铁电分析仪研究了不同退火条件、不同的Nd离子掺杂比例等工艺条件对BNT薄膜铁电性能的影响。通过对不同掺杂比例的薄膜电滞回线进行分析,发现当Nd离子的掺杂浓度为0.85时BNT薄膜具有最好的铁电性,在外加电场300 kV/cm时最大极化值(Pmax)达到41μC/cm2。分析了在不同的退火环境中制备的BNT薄膜的电滞回线,表明氧气中退火的薄膜性能优于氮气退火的薄膜;在不同温度退火制备的BNT薄膜电滞回线表明,在750°C下退火制备的BNT薄膜具有最大的剩余极化值,矩形度最好。 通过改变测试频率,分别对BNT和[Bi(Zn0.5,Ti0.5)O3]0.03[Pb(Zr0.4,Ti0.6)O3]0.97 (BZT-PZT)薄膜的频率依赖关系进行分析。结果表明两种薄膜电滞回线具有很强的频率依赖性,随着测试频率的增加,电滞回线呈现内缩的趋势。在两种不同的薄膜中,剩余极化都随测试频率的增加而减小;在两种薄膜中,矫顽场在频率小于5 kHz时受频率影响不大,但在BZT-PZT中当频率大于5 kHz时,矫顽场迅速增大。铁电薄膜电畴翻转是表现电滞回性的根本原因,可以用电畴的翻转来解释频率依赖关系。电畴在电场作用下翻转,电场翻转周期减小,薄膜内部电畴的翻转受到影响,表现为频率依赖关系。


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