本文对SiO2薄膜以及Si3N4薄膜的电荷贮存性能进行了系统研究，并以此为基础发展了 新一代无机非晶复合贮电材料，全文分为以下三部分： Ⅰ.二氧化硅薄膜 以1100℃干-湿-干热氧化工艺，在四种不同掺杂型和一种无掺杂本征型单晶硅基片上 制备成功五型非晶SiO2薄膜驻极体。运用恒栅压电晕充电，等温表面电位衰减，C-V曲线 重心测试、开路热刺激放电TSD及红外光谱等实验手段，首次通过对各型不同掺杂SiO2样 品的电荷存储，输运性能的考察和对比，系统分析了二氧化硅薄膜的贮电机制。实验表明， SiO2薄膜具有良好的电荷捕获能力，VG≤500V时样品的初始表面电位值可以达到栅压值 VG的90％以上；被陷电荷的平均重心位于薄膜表面或浅表层，随充电温度的提高而逐步向 样品体内深入，常温时为1.2～1.8％(相对深度)，100℃时～3％，200℃时～6％，300℃时为 13～15％；同时随着平均重心向薄膜内部的迁移，电荷的存储稳定性也不断提高。不同型号 SiO2薄膜的电荷动态特性差异较大，基片掺杂成分和掺杂浓度直接影响二氧化硅驻极体的 性能。首先，被陷电荷的存储稳定性随基片掺杂浓度升高而下降，其中本征型和轻掺高阻型 SiO2薄膜(基片ρ≥1Ω·cm)900天后的表面电位衰减幅度低于15％(表面修正)，重掺P 型样品(基片ρ≤0.001 Ω·cm)的同期表面电位损失量达到40％～65％；其次，SiO2薄膜的 热刺激放电TSD电流谱随掺杂成分和浓度的变化而改变，其中100℃充电条件下本征SiO2 薄膜的TSD主放电峰位于370℃，轻掺型SiO2位于310℃，重掺N型SiO2位于470℃，而 重掺P型SiO2则位于240℃；第三，SiO2薄膜的TSD放电峰随充电温度的升高而向高温 区漂移，显示出贮电性能关于温度的某种不稳定性。研究表明，本征(纯净型)SiO2薄膜 以非桥键氧能阱为主要电荷贮存机制，陷阱深度2.29eV；非本征(掺杂型)SiO2以基元四 面体杂质能阱构成主要贮电机制，其中轻掺型SiO2薄膜存储电荷的主陷阱深度为1.98eV， 重掺P型SiO2膜为0.58eV和0.92eV；重掺N型SiO2膜为3.4eV；整体上SiO2薄膜的贮电 性能随掺杂浓度的提高而逐步下降，负电荷性能优于正电荷。 红外光谱显示，SiO2薄膜表面吸附有较多的羟基，由此导致的亲水性及湿电导对被陷 电荷的存储构成严重干扰；HMDSN化学表面修正可以形成单分子厌水膜，使表面由亲水 性转变为疏水性，提高电荷的存储稳定性。 分析表明，SiO2薄膜的内部微观结构对其贮电性能构成重要影响，以适当非活泼性杂 质掺杂，充当填隙式原子，增强和致密SiO2膜的网络结构，可以形成特殊的驻电性能，或 提高薄膜整体电荷存储性能。 Ⅱ.氮化硅及氮化硅/二氧化硅薄膜 运用低压化学气相沉积LPCVD工艺在单晶硅基片上制备成功Si3N4薄膜驻极体，考察 了其电荷存储性能、输运与机制。实验表明，Si3N4薄膜具有一定的电荷捕获与存储能力， 恒压电晕充电后的表面电位初始值为栅压值的～12％，电荷存储期为1～3天，贮电机制为 0.5-0.85-1.05eV的电子陷阱，来源于薄膜中的Si小岛和局域微晶区的堆垛层错，电荷存储 特性与衬底掺杂无关，负电荷性能略优于正电荷。分析表明，Si3N4膜难以获得较高的表面 电位和长期电荷存储稳定性的原因在于Si3N4-Si界面势垒较低，高场下存在载流子 Pool-Frankle发射效应，容易导致被陷电荷失稳。XPS和AES实验显示，Si3N4薄膜的表面 在空气中会出现严重的“失氮”现象，形成α-SiNXOY:H氧化层，由此吸附空气中的水分子， 产生表面亲水性，造成存储电荷的衰减；该现象可以通过HMDSN修正加以消除。 HMDSN表面修正后的Si3N4/SiO2薄膜具有优良的电荷捕获及存储性能，电晕充电后样 品的表面电位初始值可以达到栅压值的95～98％，360天后的衰减幅度≤10％。研究表明， 被陷载流子存储于上层Si3N4膜之中，相对深度r/d分别为0.15％(常温充电)、0.55％(100 ℃充电)、0.78％(200℃充电)以及1.7％(300℃充电)，底层SiO2膜起消除界面电不稳定 性，阻断脱阱电荷向背电极渡越的作用；不同衬底Si3N4/SiO2膜样品的电荷贮存性能相近， 但基片掺杂/界面层对电荷输运过程构成明显影响，各型样品的热激TSD电流谱存在显著差 异。实验结果显示，可以完成功能组合的IOS/PIOS多层膜结构能够有效提高贮电材料的性 能，是驻极体未来实用化的一个方向。 Ⅲ.新型SiO2基复合贮电材料 运用离子掺杂、共混改性和高温熔凝等方法，在单晶硅基片上首次研制成功 SiO2-PbO-Al2O3和B2O3-ZnO-SiO2两种系统新型非晶复合材料驻极体，相关原理、技术路线 和实验结果均未见国内外刊物报道。实验显示，SiO2-PbO-Al2O3复合膜具有优良对称的正、 负电荷贮存性能，突出的抗湿疏水特性以及良好的抗污染性，其表面电位初始值可达充电栅 压值的90％(VG≤500V)，平均正、负电荷重心r/d分别为2.29％和1.33％(100℃充电)， 被陷电荷550天后的损失量≤7％(未经表面修正)，正负TSD电流谱关于温度轴镜像对称。 分析认为，SiO2-PbO-Al2O3复合膜存储电荷的能阱为双极性体阱，深度为1.4eV，对应290 ℃TSD放电峰，可以贮存正、负两种极性电荷。研究表明，极性Pb2+离子的掺入有效降低 了SiO2薄膜的表面能，使表面趋于中性，从而提高了其疏水性。此外Pb2+、Al3+离子作为填 隙式和替位式离子的掺入，较好地改善了SiO2的网络结构并使其致密化，使样品在保持原 有良好负电荷存储性能的基础上，又对称增加了优良的正电荷存储能力，表明离子掺杂及多 元复合材料是未来无机驻极体的发展方向。 SiO2-PbO-Al2O3/SiO2双层复合膜进一步完善了各项驻电性能，其具有的470℃界面阱为 捕获负电荷的电子陷阱，结合底层SiO2膜所起的高阻阻断层作用，共同阻碍载流子向背电 极的迁移，增强材料捕获电荷的能力和被陷电荷的稳定性。 B2O3-ZnO-S iO2则是以B2O3为基本网络结构、以Zn2+为掺杂离子形成的非晶态复合膜， 具有同样正、负对称的电荷存储性能，捕获电荷的陷阱机制为双极型，能级为1.22eV，可 贮存正、负两种极性的载流子，对应热激放电TSD电流峰的峰位为238℃，半高宽45℃， 电荷贮存机制稳定。