FRAM铁电材料的微结构与电性能研究

论文题目: FRAM铁电材料的微结构与电性能研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料物理与化学

作者: 刘敬松

导师: 张树人

关键词: 铁电随机存储器,铁电薄膜,薄膜织构,纳米尺度,电畴,极化反转,电性能,疲劳

文献来源: 电子科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 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。 ABO3型PbZr1-xTixO3（0<x<1,PZT）和铋层状SrBi2Ta2O9（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La3+掺杂可以提高SBT陶瓷材料的电性能,La3+引入后主要替代Bi3+,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La3+替代Sr2+,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W6+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。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 铁电材料概述

1.2 铁电存储器的特点

1.3 铁电薄膜研究现状

1.4 本论文研究内容

第二章掺杂SBT陶瓷的晶格结构与电性能

2.1 引言

2.2 La~(3+)掺杂的SBT陶瓷

2.3 W~(3+)掺杂的SBT陶瓷

2.4 本章小结

第三章 SBT、PZT铁电薄膜的生长与性能

3.1 引言

3.2 脉冲激光沉积法生长SBT薄膜的织构

3.3 化学液相法交替沉积PZT、SBT薄膜

3.4 退火工艺对PZT薄膜生长的影响

3.5 本章小结

第四章铁电薄膜的电性能随尺度变化的规律

4.1 引言

4.2 实验过程及结果

4.3 理论分析及模型

4.4 本章小结

第五章铁电薄膜的电畴与疲劳机理

5.1 引言

5.2 实验过程

5.3 SBLT薄膜的电畴结构及疲劳特性

5.4 PZT、SBT薄膜的电畴在疲劳过程中的演变

5.5 SBLT薄膜的90°极化反转及疲劳机理

5.6 本章小结

第六章 FRAM器件的制作与测试

6.1 FRAM器件的制作

6.2 原型器件的测试

第七章结论与展望

7.1 全文工作总结

7.2 本论文的主要创新点

7.3 展望

参考文献

致谢

读博期间的研究成果

发布时间: 2005-09-23

FRAM铁电材料的微结构与电性能研究

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