【摘 要】
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Pb（Zr,Ti）O3铁电电容器由于具有较高的剩余极化强度、较小的矫顽电场,非常适用于制备铁电随机存储器。铁电电容器的性能与界面、电极材料有关,研究发现用Pt作电极的Pb Zr0.4Ti0.6O3（PZT）电容器存在明显的疲劳现象。本论文在Hf0.5Zr0.5O2（HZO）铁电电容器基础上,研究了Pt/PZT/Pt电容器电极界面处引入HZO超薄薄膜以及不同电极材料对PZT铁电电容器结构和物理性能的
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Pb（Zr,Ti）O3铁电电容器由于具有较高的剩余极化强度、较小的矫顽电场,非常适用于制备铁电随机存储器。铁电电容器的性能与界面、电极材料有关,研究发现用Pt作电极的Pb Zr0.4Ti0.6O3（PZT）电容器存在明显的疲劳现象。本论文在Hf0.5Zr0.5O2（HZO）铁电电容器基础上,研究了Pt/PZT/Pt电容器电极界面处引入HZO超薄薄膜以及不同电极材料对PZT铁电电容器结构和物理性能的影响。采用脉冲激光沉积法制备了HZO薄膜和外延La0.67Sr0.33MnO3（LSMO）薄膜,在（001）Sr Ti O3（STO）基片上构架了Pt/HZO/LSMO电容器,X射线衍射（XRD）结果表明LSMO薄膜在STO基片上实现了外延生长,外延关系满足[100]LSMO‖[100]STO和（001）LSMO‖（001）STO。在5000 k V/cm电场强度和1 k Hz频率测试条件下,760℃沉积的HZO薄膜电容器的铁电性能最佳,剩余极化强度为13.11μC/cm~2、矫顽电场为2398.21k V/cm。采用脉冲激光沉积法制备了HZO薄膜、溶胶-凝胶法制备了PZT薄膜,在Pt/Ti/Si O2/Si基片上构架了Pt/PZT/Pt、Pt/HZO/PZT/Pt、Pt/PZT/HZO/Pt和Pt/HZO/PZT/HZO/Pt电容器。研究发现,尽管PZT薄膜都为多晶结构,但是在Pt/PZT/Pt电容器下电极界面PZT/Pt处引入HZO超薄薄膜会降低PZT（111）衍射峰强度占衍射峰总强度的比例;而且,底电极界面PZT/Pt处引入HZO超薄薄膜会阻碍电畴的翻转,在704.23 k V/cm电场强度下,四个电容器的剩余极化强度分别为35.43μC/cm~2、35.45μC/cm~2、8.18μC/cm~2和3.49μC/cm~2。顶电极界面Pt/PZT处引入HZO超薄薄膜不会明显地改善Pt/PZT/Pt电容器的疲劳性能,但是可以明显提高电容器的抗疲劳性能。在352.11 k V/cm电场强度下,顶电极界面Pt/PZT处引入HZO超薄薄膜后电容器的漏电流密度由1.06×10-4 A/cm~2降至1.64×10-6 A/cm~2,而底电极界面PZT/Pt处引入HZO超薄薄膜会导致电容器漏电流的增加。HZO超薄薄膜的引入尽管不会改变Pt/PZT/Pt电容器的导电机制,但是改变了电容器导电机制转变的拐点场强。在较低电场下,不同结构的电容器都满足欧姆导电机制,在相对高的电场下,不同结构的电容器都满足空间电荷限制电流导电机制。采用脉冲激光沉积法制备了LSMO薄膜、溶胶-凝胶法制备了PZT薄膜、磁控溅射法制备了Sr Ru O3（SRO）薄膜,在STO（001）基片上构架了外延LSMO/PZT/LSMO和SRO/PZT/SRO电容器异质结,外延关系满足[100]PZT‖[100]LSMO‖[100]STO和（001）PZT‖（001）LSMO‖（001）STO以及[100]PZT‖[100]SRO‖[100]STO和（001）PZT‖（001）SRO‖（001）STO。电极材料直接影响外延PZT铁电薄膜的铁电性能,在704.23 k V/cm电场强度下SRO/PZT/SRO电容器的剩余极化强度为89.72μC/cm~2、矫顽电场为122.88 k V/cm;LSMO/PZT/LSMO电容器的剩余极化强度为38.49μC/cm~2、矫顽电场为270.07 k V/cm。在352.11 k V/cm的测试电场下,SRO/PZT/SRO电容器的漏电流密度(1.55×10-6 A/cm~2)明显小于LSMO/PZT/LSMO电容器的漏电流密度(7.4×10-6 A/cm~2);两种电容器导电机制相同,但是对应导电机制改变的拐点场强不同。
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