FRAM铁电材料的微结构与电性能研究

【摘要】：铁电材料与微电子技术相结合,促成了新兴交叉学科——集成铁电学的出现,以铁电随机存储器(FRAM)为代表的铁电集成器件的诞生,推进了信息时代的发展。FRAM器件利用了铁电材料剩余极化双稳态的特点,具有非易失、高密度、抗辐射、抗干扰等优点,被认为是下一代的主存储器,FRAM的研制是当今材料科学领域的研究前沿。 ABO_3型PbZr_(1-x)Ti_xO_3(0x1,PZT)和铋层状SrBi_2Ta_2O_9(SBT)是FRAM器件应用最主要的两种材料。由于薄膜科学与技术的发展,人们已经可以采用成熟的硅基CMOS工艺制作低密度的FRAM器件。但是,由于目前对铁电薄膜的生长、微结构及其与电性能的关系,特别是对电畴及其与疲劳行为的关系、电性能与薄膜尺寸的依赖关系,认识还不够完全,使得大规模产业化高密度的FRAM器件尚存在一定困难。此外,材料的选择也陷入两难的境地,一方面,PZT材料具有较高的极化强度,但是疲劳现象严重;另一方面,SBT材料是一种无疲劳材料,但是它的极化仅沿α轴方向产生,并且剩余极化相当小。铁电薄膜的开发现状在一定程度上制约了FRAM器件的发展。 本论文正是针对以上问题而展开,以SBT和PZT铁电薄膜材料为研究对象,紧紧围绕材料的微结构与电性能的关系这一主题,从理论和实验上进行了材料的改性、薄膜生长、电性能与薄膜尺寸及织构的依赖关系、电畴及其与疲劳行为的关系等几方面的研究,取得了一系列具有创新性的研究成果,归纳起来,主要有以下几个方面: (1)通过大量试验研究发现La~(3+)掺杂可以提高SBT陶瓷材料的电性能,La~(3+)引入后主要替代Bi~(3+),引起了晶格畸变,因而使电性能得到了提高,但是过量(超过6 at.%)掺杂导致了La~(3+)替代Sr~(2+),不等价替代松弛缓和了晶格畸变,电性能反而下降。 (2)在多次重复实验中,观察到了W~(6+)掺杂SBT陶瓷低频低电场下的锯齿状电滞回线,研究认为,这是因为B位不等价替代形成了缺陷偶极子,缺陷偶极子对系统极化的贡献是一种扰动,所以造成了锯齿状电滞回线。将缺陷偶极子的扰动假设成简谐振子的运动,结合Preisach模型,成功地模拟了锯齿状电滞回线,并演绎了驰豫角的新概念。驰豫角的物理意义说明,在高频高场的条件下缺陷偶极子的扰动作用不存在,因而不表现出锯齿状电滞回线。