不同厚度PZT薄膜的制備及電性能特性研究*

宋瑞佳，鄭俊華，譚秋林*

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

不同厚度PZT薄膜的制備及電性能特性研究*

宋瑞佳1，2，鄭俊華1，2，譚秋林1，2*

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

采用sol-ge（l溶膠-凝膠）法在Pt/Ti/SiO2/Si基底上分別制備了厚度為400 nm、600 nm、800 nm的PZT（鋯鈦酸鉛，Zr/Ti= 52/48）薄膜，研究了厚度對薄膜介電性能與鐵電性能的影響。通過對薄膜的鐵電性能與介電性能進(jìn)行測試，分析了不同厚度薄膜的剩余極化強(qiáng)度、介電常數(shù)與介電損耗，進(jìn)一步分析了薄膜的介電調(diào)諧性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，薄膜的介電常數(shù)與介電損耗隨薄膜厚度的增大而增加；厚度為600 nm的薄膜具有最好的介電調(diào)諧性能與鐵電性能。

鐵電薄膜；PZT薄膜；溶膠-凝膠；介電性；鐵電性

鉛基薄膜如PT、PCT、PLT和PZT等，由于具有優(yōu)良的介電、鐵電及熱釋電性能，成為當(dāng)前國際上備受關(guān)注的功能材料，被廣泛應(yīng)用于制備熱成像器件、熱釋電紅外傳感器、MEMS器件和鐵電隨機(jī)存儲器等［1-4］。PZT薄膜器件具有響應(yīng)快，探測信號快，結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)械強(qiáng)度好［5］，可提高波長范圍等特點(diǎn)，為器件的集成化和微型化創(chuàng)造條件［6］。

目前，PZT薄膜材料的制備和應(yīng)用研究已成為鐵電學(xué)研究的熱點(diǎn)之一［7-8］。近年來人們通過各種工藝在不同基底上獲得了晶粒高度取向的PZT薄膜［9-10］。雖然近年來對PZT薄膜陸續(xù)進(jìn)行研究，但對成膜條件及影響成膜的原因尚無較全面的研究，獲得穩(wěn)定、均勻、性能良好的PZT薄膜還有困難。

本文采用sol-gel法在Pt/Ti/SiO2/Si基底上制備了不同厚度的PZT薄膜。進(jìn)一步比較了不同厚度薄膜的介電性能與鐵電性。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1PZT薄膜的制備

我們選用醋酸鉛、異丙醇鋯、正丙醇鈦為制備前驅(qū)液的原料。采用乙二醇甲醚為溶劑，在螯合劑乙酰丙酮和乙二醇的作用下，通過控制適當(dāng)?shù)奶砑禹樞蚝蜏囟拳h(huán)境，使原料完成相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，制備出PZT溶膠。

使用KW-4A型勻膠機(jī)將制備好的PZT前驅(qū)液涂在Pt/Ti/SiO2/Si基底上（轉(zhuǎn)速為3 800 r，時(shí)間為35 s），在400℃的平板加熱板上加熱10min，重復(fù)以上步驟直至達(dá)到所需厚度。最后在600℃下退火20 min。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，溶膠的濃度對成膜的影響很大，濃度過高則不利于甩膠，薄膜厚度不均勻；濃度過低則重復(fù)性大，不利于薄膜的制備。因此，根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，選擇配置0.3 mol/L的PZT膠體溶液。

1.2薄膜的測試

為了對薄膜的介電性能與鐵電性能進(jìn)行研究，采用光刻、濺射、剝離等工藝在薄膜表面形成一層直徑為1 mm的Au電極，使薄膜形成了Au/PZT/Pt/ Ti/SiO2/Si電容結(jié)構(gòu)。

采用Angilent4284A阻抗分析儀測試了室溫下不同厚度薄膜的介電性能。選用美國RADIANT公司的WS-2000鐵電性能測試設(shè)備測試了薄膜的鐵電性。

2　結(jié)果與討論

2.1不同厚度薄膜的介電性能

PZT薄膜材料是一類極性電介質(zhì)材料，其介電常數(shù)具有數(shù)值大，頻率依賴性大，非線性強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，介電常數(shù)是基于PZT薄膜器件設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。而介質(zhì)損耗是表征電介質(zhì)性能的另一個(gè)指標(biāo)。本文研究的PZT薄膜處于準(zhǔn)同型相附近，其結(jié)構(gòu)屬于三方-四方相的過渡情況。

圖1所示為在測試電壓為10 V時(shí)，不同厚度的PZT薄膜的介電常數(shù)（ε）與介電損耗（Tan δ）隨頻率（f）的變化曲線。

圖1　

從圖1（a）可看出，低頻范圍內(nèi)介電常數(shù)下降較為明顯，高頻范圍內(nèi)相對平緩，介電常數(shù)隨薄膜厚度的增加而增大。這是由于電極和薄膜間形成的空間電荷的極化作用。頻率增加到一定階段時(shí)，電荷的極化作用加強(qiáng)了介電常數(shù)的上升。由圖1（b）可以看出薄膜的介電損耗均隨著頻率的增加而增大。這是由于薄膜的介電損耗主要是來自極化弛豫，隨著頻率的增加，極化弛豫明顯，單位時(shí)間內(nèi)弛豫次數(shù)增多，導(dǎo)致了介電損耗的增加。

2.2不同厚度薄膜的C-V特性

在PZT薄膜材料的應(yīng)用上，介電常數(shù)越大越好。在可調(diào)諧波器件的應(yīng)用上，介電調(diào)諧率越大越好。我們通過介電調(diào)諧率（Tunability=（Cmax-Cmin）/Cmax）與最大正切損耗（Tanδmax）的比值（即FOM值）來計(jì)算介電常數(shù)與外加直流偏壓的關(guān)系。FOM值是對薄膜的整體介電性能的描述。

圖2所示為測試頻率為100 kHz時(shí)，PZT薄膜的C-V特性曲線，直流偏壓掃描從+10 V到-10 V，再到+10 V。我們可以計(jì)算出，不同厚度的薄膜的介電調(diào)諧率分別為71.3%，62.57%，52.54%。由FOM值的定義，可以計(jì)算出3種厚度薄膜的FOM值分別為13.499、15.668、14.39。通過對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，表明厚度為600 nm的薄膜具有最好的介電調(diào)諧性能。

圖2　不同厚度的薄膜的C-V曲線

2.3不同厚度薄膜的鐵電性能

電滯回線也稱作P-E曲線，為極化強(qiáng)度隨外電場的滯后關(guān)系，是表征薄膜電性能的重要參數(shù)。通過對P-E曲線的測量可以獲得PZT薄膜的剩余極化強(qiáng)度和矯頑電場。如圖3所示為不同厚度薄膜的電滯回線，其中驅(qū)動電壓為10 V。曲線在Y軸負(fù)方向上沒有閉合，原因是由于不對稱電極材料引起的氧空位等帶電缺陷在薄膜材料體內(nèi)引起了內(nèi)電場，從而導(dǎo)致PZT薄膜中不可翻轉(zhuǎn)極化。

由圖3可知，不同厚度的薄膜都表現(xiàn)出了良好的鐵電性。但薄膜厚度在600 nm時(shí)，P-E曲線的矩形對稱度最好，此時(shí)具有最大的剩余極化強(qiáng)度25 μC/cm-1。

圖3　不同厚度薄膜的電滯回線

3　結(jié)論

通過sol-gel法制備了不同厚度的3種薄膜，并分別對不同厚度薄膜的介電性能與鐵電性能進(jìn)行研究。通過對介電常數(shù)與介電損耗及C-V曲線與PE曲線的測量與分析。得出如下結(jié)論：（1）薄膜的厚度為600 nm時(shí)，薄膜的電滯回線矩形對稱度最好，表現(xiàn)出明顯的鐵電性，并且具有最大的剩余極化強(qiáng)度25 μC/cm2。（2）薄膜的介電常數(shù)與介電損耗均隨薄膜厚度的增加而增加。對于同一厚度的薄膜，在低頻范圍由于電極與薄膜間形成的空間電荷所產(chǎn)生的極化作用使得介電常數(shù)的下降速度非常快，當(dāng)頻率達(dá)到300 Hz以上時(shí)，由于電荷的極化作用加強(qiáng)了介電常數(shù)的上升，但上升速度非常緩慢。介電損耗的增加則由于極化馳豫現(xiàn)象越來越明顯而引起的。（3）通過對FOM值的計(jì)算，得出薄膜厚度為600 nm時(shí)，薄膜表現(xiàn)出最好的介電調(diào)諧性能。

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宋瑞佳（1989-），女，漢族，吉林省通化市，現(xiàn)為中北大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)闊o線無源壓力傳感器，srj915@ 163.com；

鄭俊華（1987-），女，漢族，山西省忻州人，現(xiàn)為中北大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槎鄬咏M合納米膜紅外探測器及其氣體檢測技術(shù)，1194012665@qq. com；

譚秋林（1979-），男，湖南衡南人，博士，教授。研究方向?yàn)楣鈱W(xué)氣體傳感器及檢測技術(shù)、無線無源微納傳感器及微系統(tǒng)集成技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及射頻技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及存儲技術(shù)。

Research on the Preparation and Electrical Properties with Different Thickness of the PZT Thin Films*

SONG Ruijia1，2，ZHENG Junhua1，2，TAN Qiulin1，2*
（1.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，North University of China，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

PZT（Lead Zirconate Titanate，Zr/Ti=52/48）thin films with a thickness of 400 nm，600 nm and 800 nm were prepared by sol-gel method on Pt/Ti/SiO2/Si substrates，the electrical properties and ferroelectric properties of the PZT thin films with different thickness was researched.We tested the dielectric properties and ferroelectric properties and analyzed the remnant polarization，dielectric constant and dielectric loss of the PZT thin films with different thickness andfurther analyzed the dielectric tunable properties of thin films.The experimental results showed that the dielectric constant and dielectric loss increase with the increase of film thickness，and the thickness of 600 nm film has the best dielectric tunable properties of ferroelectric properties.

ferroelectric thin films；PZT thin films；sol-gel；dielectric properties；ferroelectric properties

TF123；TM282

A

1005-9490（2016）05-1034-03

項(xiàng)目來源：基于黑硅吸收層的多層組合納米膜紅外探測器及其氣體檢測技術(shù)項(xiàng)目（51205373）

2015-11-05修改日期：2015-11-25

EEACC:052010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.003