应用于DRAM的BST薄膜制备与性能研究

BaxSr1-xTiO3(BST)是动态随机存取存储器(DRAM)中常规电容介质SiO2的替代材料。用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法在Si及Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备出了较高品质的BST薄膜。系统地研究了在不同退火条件下薄膜的结晶情况、微结构和电学性能。在室温100kHz下,薄膜的介电常数为230。在3V的偏压下,薄膜的漏电流密度为1.6×10-7A/cm2。利用HCl/HF刻蚀溶液成功获得了分辨率达到微米量级的BST薄膜微图形。     

DRAM在语音处理系统中的应用

提出在语音处理系统中应用DRAM（dynamic random access memory)作内存,实现语音数据的存储和回放。在分析DRAM特性及其操作时序和DSP（digital signal processor)总线时序基础上,设计了DSP与DRAM接口的硬件和软件。     

钛酸锶钡(BST)铁电移相器材料的研究现状

钛酸锶钡(BST)材料被普遍认为是最有前途的铁电移相器材料。BST作为铁电移相器材料的研究已有多年,到目前为止取得了不少突破性的进展。综述了国内外研究人员在BST体材、厚膜以及薄膜方面所做的工作及获得的一些成果。     

铋掺杂对BST/MT复相铁电材料介电性能的影响

研究了Bi2O3掺杂对钛酸锶钡/钛酸镁(BST/MT)复合体系介电常数、介电损耗以及调谐性等介电性能的影响。实验表明,适量的掺杂能有效的改善体系的电性能。控制掺杂质量分数为0.8%,获得陶瓷介质在微波频段(S波段)的相对介电常数在100左右;介质损耗约为2×10-2;4 000 V/mm的偏压下调谐性可达12%。采用极化理论对掺杂机理作了一定的探讨。     

钛酸锶钡薄膜的电子显微研究

传统的硅工业一直按照摩尔定律的预测在向高集成度发展。动态随机存储器的存储密度也需要不断的提高 ,也就是要求同样的信息存储在更小的面积内。传统的方法是通过不断地减小介电层 (非晶ＳｉＯ2 )的厚度来满足动态随机存储器向高集成度发展的要求的。然而 ,当电介质的厚度小到一定程度后 ,电子的隧道穿透效应将会使该器件无法工作 ,这个厚度就是它的极限厚度。约 80年代末期 ,人们开始普遍的关注到这个极限的到来 ,并开始寻找解决的途径。其中最有希望的途径就是利用高介电系数的电介质替换低介电系数的ＳｉＯ2 ,也就是通过提高电介质的介…     

用正交法优化BST/MTO铁电移相器材料性能

利用正交试验方法研究了Bi2O3、MnCO3、SnO2等添加剂对钛酸锶钡/钛酸镁(BST/MTO)复合铁电移相器材料介电常数r、介质损耗tg以及调谐性T等性能的影响,并对影响机理作了初步探讨。实验结果表明选择合适种类与数量的添加剂能有效提高铁电移相器材料的性能。通过正交试验获得综合性能优异的移相器材料性能:r=315,tg=0.002 8,T=14.27%。     

BST/PVDF 0-3型复合材料的热释电特性研究

采用溶胶－凝胶工艺和微波处理技术在900℃合成了Ba0.65Sr0.35TiO3粉体颗粒，并将粉体按不同的比例与PVDF进行复合，按照流延工艺制作成薄膜样品，对样品进行介电和热释电特性的测试。实验结果表明：复合材料的介电常数远远低于Ba0.65Sr0.35TiO3陶瓷，而热释电系数比PVDF材料有大幅度提高，由此计算出复合材料的热释电优值因子比Ba0.65Sr0.35TiO3陶瓷高一个数量级。     

BST薄膜非线性特性及机理研究

钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3,简称BST)薄膜具有非线性强、漏电流小、居里温度可调等特点,因而在介质移相器、压控滤波器等方面有着广泛的应用前景。笔者对BaxSr1-xTiO3(x=0.45~0.90)系列陶瓷的晶体结构和介电性能、膜厚均匀性控制、BST薄膜的微结构(包括组成、晶体结构和电畴等)和介电非线性尺度效应、铁电薄膜介电非线性模型、薄膜型介质移相器的设计和制作等重要问题进行了研究,取得了以下研究结果:通过研究靶基中心不重合的磁控溅射系统,建立了平面磁控溅射膜厚分布的数学模型,提出了采用T=∫Ld(x,y)ds=∫0td(ξ(t),ψ(t))ξ'2(t)+ψ'2(t)dt来描述靶基中心不重合的平面磁控溅射的膜厚分布情况。在靶基距为72mm、公自转转速比为5.3的条件下,采用自行设计的射频磁控溅射设备和φ100mm靶材制备的BST薄膜膜厚均匀性偏差为2.8%。采用压电力显微镜(PFM)研究了BST薄膜中电畴的类型和尺寸。不仅证实BST薄膜中存在90°铁电畴,而且确定了BST薄膜由多畴转变为单畴结构的晶粒临界尺寸(单畴临界尺寸)为31nm左右。通过研究BST薄膜的介电非线性尺度效应,发现晶粒尺寸和膜厚对薄膜的介电非线性具有重要的作用。随着晶粒尺寸和膜厚的增加,BST薄膜的介电系数、介电系数变化率都逐渐增大。晶粒尺寸对单畴态薄膜的介电系数电压变化率和矫顽场强影响特别显著,而对多畴态薄膜的介电系数电压变化率和矫顽场强影响不明显。在上述实验研究的基础上,对铁电材料的介电非线性机理进行了研究。首先,从简单、实用的角度出发写出表征P(E)和ε(E)非线性的数学多项式,根据介电偏压特性曲线和电滞回线的特征值和连续性原理,给出边界条件和初始条件,解出表达式中的各项系数,从而建立了铁电晶体的介电非线性模型。然后,采用理想的晶粒–晶界几何模型,画出铁电陶瓷材料的等效电路,引入晶粒和晶界的大小,从而建立了铁电陶瓷的介电非线性模型。再采用理想二极管等效界面势垒,得到薄膜型平板电容器等效电路,引入膜厚和界面厚度两个尺度变量,从而建立了铁电薄膜的介电非线性模型。最后,利用文献的数据和曲线对模型进行了验证,模拟得到的曲线与实验得到的曲线变化趋势基本一致,表明该模型可以较好地解释铁电材料(包括陶瓷和薄膜)的介电非线性特性及其随晶粒大小、膜厚和界面厚度等尺度变化的规律。对薄膜型介质移相器的设计、制作和测试进行了研究。采用ADS和HFSS软件进行仿真,设计出了分布式电容负载型铁电薄膜介质移相器的电路结构和各部分的尺寸;采用改进的剥离工艺,制作出了电极线条整齐的铁电薄膜介质移相器;采用矢量网络分析仪,在频率为35GHz、控制电压为40V条件下,测得介质移相器的移相度为180°,插损为9.7dB。     

铁电电容模型及其在铁电存储器中的应用

近年来,集成铁电学（integrated ferroelectrics)迅速发展。铁电体是一种特殊的电介质,在不存在外场的情况下,它仍然可以保持一个自发的极化强度。其极化方向在外电场的作用下可以发生反转,表现出特殊的非线性介电行为,即电滞回线。文章讨论了铁电电容模型的SPICE实现。首先介绍电容模型的实现,然后结合2T－2C铁电存储单元的工作原理,验证了该模型。最后,给出了一个完整的32位铁电存储器的电路仿真结果。该结果可以非常容易地推广到更大容量的铁电存储器中。     

BSTO/RO铁电移相材料的介电性能及应用探讨

采用固相反应法制备了不同组分钛酸锶钡/轻金属或稀土氧化物(BSTO/RO)铁电移相材料。研究了该系材料的介电性能。结果表明:对于Ba0.6Sr0.4TiO3/质量分数为60%RO材料,1MHz下,εr为119,tanδ为0.001;3.37GHz下,εr为110,tanδ为0.004。3×103V/mm偏置场强下,介电调谐率η为12.8%。材料的介电性能基本上达到了相控阵移相器的使用要求。     

钛酸锶钡(BST)薄膜的XPS研究

采用射频磁控溅射法在Pt／Ti／SiO2／Si衬底上制备了BaxSr1-xTiO3(BST)薄膜,对BST／Pt／Ti／SiO3／Si结构进行了XPS深度分析。研究结果表明：制备的BST薄膜内部化学成分基本一致;氧缺位在薄膜体内比表面更严重)Pt底电极向薄膜、衬底之间扩散,BST／Pt及Pt／SiO2之间存在明显的界面过渡层。     

BST薄膜对GaN衬底的传输特性影响

钛酸锶钡(BST)薄膜是一种重要的铁电薄膜,应用广泛,是高新技术研究的前沿和热点之一。文章重点讨论了不同结构的BST薄膜对GaN传输线的传输特性影响,分析了不同的BST薄膜材料参数对传输性能的影响。实验证明,未电镀的传输线空洞较多,直流电阻变大,生长了BST薄膜的传输线插损约为0.32dB/mm,不同的薄膜材料参数对传输特性的影响也很明显,随着介电常数、膜厚以及损耗角的增大,传输线有效介电常数变大,特性阻抗减小。为基于磁电效应的GaN功率放大器设计提供了一定的借鉴。     

CaTiO_3掺杂对BST铁电电容器陶瓷性能的影响

采用固相法制备了CaTiO3掺杂的(Ba0.65Sr0.35)TiO3(BST)陶瓷,研究了CaTiO3掺杂量对BST电容器陶瓷介电性能和微观结构的影响。结果表明:随着CaTiO3掺杂量的增加,BST陶瓷的相对介电常数(εr)先增大然后减小然后增大,介质损耗(tanδ)和交流耐压强度(Eb)先增大然后减小。当CaTiO3掺杂量为摩尔分数10%时,BST陶瓷的综合介电性能较好:εr为4480,tanδ为0.022,Eb为5.8×103V/mm(AC),容温特性符合Y5U特性。     

添加Bi_4Ti_3O_(12)对BST陶瓷性能的影响

采用固相法制备了添加Bi4Ti3O12(BIT)的(Ba0.71Sr0.29)TiO3(BST)陶瓷,研究了BIT的加入量对所制BST陶瓷的微观结构和介电性能的影响。结果表明:随着BIT添加量的增加,BST陶瓷的晶粒尺寸先减小后增大,相对介电常数(εr)逐渐减小,介质损耗(tanδ)先减小后增大。当添加质量分数26%的BIT于1 120℃烧结,制得的BST陶瓷综合性能较好:εr为1 700,tanδ为0.006,容温特性符合X7R的要求,耐直流电压强度为5.0×103V/mm。     

三氧化二钕掺杂量对低温烧结BST陶瓷介电性能的影响

采用固相法,研究了Nd2O3掺杂量对ZBS玻璃添加的Ba0.65Sr0.35TiO3(BST)基低温烧结的陶瓷的物相组成、显微结构及介电性能的影响。结果表明:Nd2O3的掺杂并没有改变低温烧结的BST基陶瓷的物相结构,仍为单一钙钛矿结构。随着Nd2O3掺杂量的增大,BST基陶瓷的介电常数先增大然后减小,介质损耗先减小然后增大。当Nd2O3添加质量分数为1.5%,烧结温度为975℃时,BST基陶瓷的综合性能较好,此时相对介电常数为667,介质损耗为0.01,在–30~+85℃容温变化率为–35.2%~14.8%。     

Co掺杂对BST薄膜介电性能的影响

用sol-gel法在Pt/Ti/SiO2/Si(100)衬底上制备了掺Co的钛酸锶钡(BST)薄膜,研究了Co的掺杂量x(Co)对BST薄膜的晶相结构和电学性能的影响。结果表明:随着x(Co)的增加,BST薄膜的介电常数εr,介质损耗tgδ和漏电流密度JL均降低;当x(Co)为5%时,BST薄膜的εr、tgδ、JL、可调性和品质因子分别为:228.3、0.013、3.69×10–7 A/cm2、15.4%、12.03。     

钛酸锶钡(BST)薄膜的制备与应用研究进展

介绍了钛酸锶钡(BST)薄膜的四种制备方法(脉冲激光沉积、磁控溅射、溶胶–凝胶、金属有机化学气相沉积)及BST薄膜在介质移相器、动态随机存储器、热释电红外探测器、H2探测器中的应用等方面的研究进展。提出了需进一步开展的研究课题如:晶粒晶界控制、界面控制、漏电导机制、疲劳机制、非线性效应及大面积高质量薄膜的制备技术等。