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随着微电子技术和产业的发展,微电子器件日益小型化和集成化。因此高介电常数材料在微电子器件中,特别是在动态随机存储器(DRAM)中有着广泛的应用前景。近年来一种不寻常的体心立方钙钛矿结构的材料CaCu3Th012(CCTO)由于其具有高介电常数而引起了研究人员的关注。目前这种材料的高介电常数的起源问题尚未得到完全澄清。而为了使这种新兴的高介电常数材料能广泛应用于电子产业界,搞清CCTO高介电常数的产生机理就显得尤为重要,本文就是针对这一问题而做出了一些探讨。
本论文首先通过对CCTO陶瓷样品在氮气氛(缺氧环境)和氧气氛(富氧环境)中进行后处理后,研究不同功函数的电极和不同电极制备方法对样品的介电性质的影响,讨论其高介电常数产生的物理机理。我们发现CaCu3ThOl2的高介电常数与样品的表面电阻有着极大的联系。当样品表面电阻达1.2×10Q·em,即表面处于接近绝缘态的时候,样品没有明显的空间电荷,电极接触几乎对样品介电性质无影响,其高介电常数来源于自身的晶界效应(即internalbarrierslayerscapacitor,IBLC)。当样品在氮气中退火后,样品内空间电荷明显增多,表面电阻降至3.1×lO7Ω·cm,表面处于半导态,这时以Pt(具有高的金属功函数5.7eV)为电极的样品介电常数相对于以Ag(具有小的金属功函数4.4eV)为电极的样品的介电常数有了很大的增强。在这种情形下,高介电常数不仅与IBLC效应有关,还与电极和样品表面形成的肖特基势垒即电极接触密切相关。所以,我们认为CCTO陶瓷的介电常数主要来源于其本身的晶界效应,但在一定条件下也来源于电极接触效应。
本文还测量了CCTO陶瓷的介电温度谱。并从介电温度谱出发,分析了CCTO的载流子机理和介电弛豫机理。我们发现在低温区CCTO的载流子主要是一价氧空位v0+,高温区主要载流子是二价氧空位V0++。CCTO陶瓷的介电弛豫可以归结为由晶粒/晶界和CCTO/电极界面附近氧空位引起的偶极子弛豫,而在超低温下则应归结为电子跳跃越过CCTO/电极界面势垒而引起的电子弛豫。
在本文的最后我们利用电导.电容等效电路模型对电极接触效应和晶界效应进行了模拟。从计算的结果和实验测量的结果对比可以看出,我们提出的电导-电容等效电路模型和介电弛豫机理与实验测得的结果相吻合。利用电导-电容等效电路模型不仅可以较好地模拟出电极接触效应和晶界效应对CCTO介电常数的贡献而且成功区分了两种效应。