PZT薄膜的极化开关电流特性与非线性电流—电压特性研究

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1、PZT薄膜的极化开关电流特性与非线性电流-电压特性研究Polarizationswitchingcurrentcharacteristicandnonlinearcurrent-voltagecharacteristicinPZTthinfilms学科专业：集成电路工程研究生：张伟康指导教师：肖谧副教授天津大学电气自动化与信息工程学院二零一七年十一月摘要锆钛酸铅（PbZr0.52Ti0.48O3，简称为PZT）以其优良的介电性能、铁电性能、压电性能以及与半导体工艺良好的兼容性获得了人们的广泛重视。PZT作为一种

2、重要的铁电材料，普遍应用在非挥发性存储器、动态随机存储器、红外传感器、和微控制器等领域。本课题主要研究PZT薄膜的电流特性，主要包括极化开关电流特性与非线性I-V特性。研究PZT的极化电流开关特性对于PZT薄膜在铁电存储器领域的应用具有十分重要的意义，研究非线性I-V特性可以促进PZT薄膜在压敏电阻器领域的应用。本课题中使用溶胶-凝胶（sol-gel）法制备PZT薄膜。在性能测试方面，利用X射线衍射和场发射扫描电子显微镜来分析薄膜的物相成份和表面形貌，使用铁电材料参数测试仪测试薄膜的铁电特性，使用半导体参数分析

3、仪测试薄膜的I-V特性。为研究不同择优取向PZT薄膜的极化开关电流特性，本课题采用改进的退火工艺以产生不同择优取向的PZT薄膜。实验结果表明，采用PbTiO3（PT）种子层制备的PZT薄膜随机取向，而直o接在铂基底上制备的PZT薄膜呈（111）择优取向。采用改进的退火工艺，在400Co时直接将PZT薄膜放入高温炉中升温至650C退火，退火时间为1小时，制备出的PZT薄膜的（111）择优取向程度较大。（111）择优取向的PZT薄膜具有较大的极化开关电流，并且随着（111）择优取向程度的增加，极化开关电流也随之增大

4、。极化温度也会对PZT极化开关电流产生影响，极化温度越高，极化开关电流越大。论文结合空间电荷限制电流模型（SCLC）与电畴开关机理对PZT的极化开关电流特性进行了机理分析。对于PZT的非线性I-V特性，在研究中发现PZT的阈值电压要比传统压敏材料低，并且可以通过薄膜的制备工艺控制阈值电压值，这对于PZT在压敏电阻上的应用有极大的意义。实验结果表明，PZT薄膜的阈值电压随着晶粒尺寸的增加而减小，随着薄膜厚度的增加而增加。论文结合双肖特基势垒模型（DSB）与隧穿效应对PZT的非线性I-V特性进行了机理分析。关键词：

5、PZT薄膜，择优取向，极化开关电流特性，非线性I-V特性IABSTRACTLeadZirconatetitanate(PbZr0.52Ti0.48O3,PZT)hasbeenwidelyvaluedforitsexcellentdielectricproperties,ferroelectricproperties,piezoelectricpropertiesandcompatibilitywithsemiconductorprocesses.Asanimportantferroelectricmateria

6、l,PZTiswidelyusedinnon-volatilememory,dynamicrandommemory,infraredsensor,andmicroactuators.ThecurrentcharacteristicsofPZTfilmsweremainlystudiedinthispaper,includingpolarizationswitchingcurrentcharacteristicsandnonlinearI-Vcharacteristics.Itisofgreatsignifica

7、ncetostudypolarizationswitchingcurrentforapplicationinFeRAM.StudythenonlinearI-VcharacteristicsofPZTthinfilmscanpromotetheapplicationsinthefieldofvaristormaterials.ThePZTfilmwaspreparedbysol-gelmethodinthispaper.Intermsoftheperformancetest,theX-raydiffractio

8、nandfieldemissionscanningelectronmicroscopewereusedtoanalyzethephasecompositionofthefilmandthesurfacemorphology,theferroelectricparametertesterwereusedtotestferroelectricpropertiesoffilmtests,th