铁电薄膜的发展

带

Au

或

Ni

不透明顶部电极的铁电

PZT< /p>

电容的介电常数在

300

到

600

范围

内，与典型的铁电薄膜类似。然而，

制造透明顶部接触的电容的所有尝试，

包括采用各种类

型的透明导体和绝缘缓冲层，最终都在铁电层未完全极化前引发了电注入和电击穿。

< br>

版权归

Taran V. Harman

2003

年

10

月

10

日

鸣谢

首先 我要谢谢我的丈夫

Doug

在整个文章撰写过程中的耐心，还有 整个家庭：

Iris,

Toy,

and Andre Villoch, and John and Linda Harman

，他们一直支持我。

我要感谢我的导师

John F. Wager

教授，他为研究提供经费支持，并建议将铁电体作为

论文项目。我在文章撰写过 程中与他进行过多次很有益的讨论。

我要感谢

Luke Norris

为项 目作出的贡献，他是自旋解决方案中的助手兼教育家，并且

如朋友般伴随每个项目。我要 感谢

David

Hong

，他为项目 制备了铪

HfO

2

，并在计算机相关问

题上帮助很多。

我要感谢

博士研究组的所有成员，

他们都与我积 极讨论。

尤其要感谢

Rick

Pre sley

协助生产，

感谢

Melind a

Valencia

推荐了个好兽医，

感谢

Nicci

Dehuff

让我 睡在她的沙发上，

感谢

Mandy Fluaitt,Kathryn Gardiner, and Jana Stockum

的友情。

我还要谢谢

Chris

Tasker

，他维持实验室运转。还有

Manfred

< br>Dittrich

为实验设备制造

专门的机械部件。

此项工作受美国国家科学基金

No

:

DMR-0071727

和美国陆军研究室合约

No

:

MURI E-

18-667-G3

资助。

目录

页码

1.

简介

2.

文献综述

2.1

铁电现象

2.1.1

铁电相变

2.1.2

电畴和铁电体极化

2.1.3

钙钛矿晶体

2.2

锆钛酸铅

2.2.1

锆酸铅和钛酸铅

2.2.2

锆钛酸铅的材料处理问题

2.2.3

其他钙钛矿铁电体

2.3

铁电电容型存储设备

2.3.1

铁电电容器

2.3.2

随机存取型铁电存储器

2.4

铁电晶体管型存储设备

2.5

结论

3.

实验方法

3.1

材料沉积

3.1.1

射频溅射

3.1.2

化学溶液沉积

3.1.3

煅烧

3.1.4

脱水

3.2

器件特性

3.2.1

界电性质测试

3.2.2

极化性质测试

3.3

结论

4.

铁电电容器

4.1

射频溅射法制铁电电容器

4.1.1

电容制造

4.1.2

介电性质

4.1.3

极化性质

4.1.4

结论

4.2

化学溶液沉积法制铁电电容器

4.2.1

溶液制备

4.2.2

电容制造

4.2.3

介电性质

4.2.4

极化性质

4.2.5

结论

4.3

镍和氧化镍电容器

4.3.1

电容制造

4.3.2

介电性质

4.3.3

极化性质

4.3.4

结论

4.4

透明铁电电容器

4.4.1

薄膜制造

4.4.2

氧化铟锡顶接触

4.4.3

氧化铟镓顶接触

4.4.4

氟化钙绝缘缓冲层

4.4.5

铪绝缘缓冲层

4.5

结论

5.

结论和对今后工作的建议

5.1

结论

5.2

对未来工作的建议

5.2.1

锆钛酸铅薄膜质量的提高

5.2.2

透明铁电电容器

5.2.3

透明铁电存储器

5.2.4

其他铁电材料

5.2.5

结论

参考书目

铁电薄膜的进展

1

简介

铁电现象第一次被发现是在

1920

年，当时瓦拉赛尔发现外场可以使罗息盐的极化方向< /p>

反转。

这个现象被称为赛格尼特电效应，

为纪念第一个发现罗息盐的人。

然而这一现象并未

被广泛的研究 ，

直到表现出同一行为的更简单的磷酸盐和砷酸盐理论在

193 5

年到

1938

年被

< br>发展。铁电现象被广泛认识是在

40

年代初，那时人们将 铁磁性与铁电性进行了简单对比。

铁磁体中的原子有固定的磁 偶极矩，

不像顺磁材料，

这些磁矩自发排列起来。

自发排列

的原因是固体中电子的量子力学效应。铁磁体的居里温度指向顺磁体 转变（不再是铁磁体）

的温度，同理对铁电体，指材料不再是铁电体的温度。

磁滞回线的产生与磁畴有关。

磁畴中所有的偶极 矩统一排列，

相邻磁畴中极矩方向不同。

若材料未被磁化，磁畴 产生的总磁场为零，当添加磁场时，磁畴都朝这一方向平行排列，当

全部样品成为一个大 磁畴时，磁化饱和。

当磁场撤离时，

磁畴不会回到初始排列，< /p>

故留下一

个剩余极化强度。在相反反向添加一个磁场可以使磁化反 转。

对于一块未极化铁电晶体，电畴随机排列，净极化强度为 零。

当外加一个电场时，

电畴

同时向电 场方向转动，

当电场足够强时，

全部电畴沿电场方向排列一致，

这时晶体变成一个

大电畴，处于极化饱和状态。当扭转电场时，

极化反转但不回零，

晶体获得一个剩余极化强

< br>度

P

R

，当电场被扭转到矫顽场

Ec

时，剩余极化强度被去除。

铁电相是一个相当严格的状态，

大多数材料都是顺电状态，

顺电相指即使没有固有电偶

极子，

电场也可诱发 极化。

而铁电体是有极性的，

他们因为晶胞的原子排列而拥有一 个固有

电偶极矩。晶体有

32

个群，其 中，

21

种是非中心对称的。在他们之中，

20

中是压电体，即

压力诱发极化。

而在这

20

种之中只有

10