專利名稱：一種快速電壓掃描測量鐵電薄膜微分電容的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于固態(tài)電介質(zhì)性能測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及鐵電薄膜的微分電容測試方法。
背景技術(shù)：
電介質(zhì)的特征是以正、負電荷重心不重合的電極極化方式傳遞、存貯或記錄電的作用 和影響，因此介電常數(shù)是表征電介質(zhì)最基本的參量。鐵電體是一類特殊的電介質(zhì)材料，其 介電常數(shù)大、非線性效應(yīng)強，有顯著的溫度依賴性和頻率依賴性。鐵電體中電容在直流電 壓作用下會隨時間不斷下降，在電壓掃描時間大于l秒的情況下得到的電容電壓曲線是蝴 蝶形狀的。當電壓掃描時間在納秒量級的情況下時，鐵電體的電容電壓曲線會出現(xiàn)類似反 鐵電體的雙蝴蝶形狀，證明了翻轉(zhuǎn)電疇對介電常數(shù)的貢獻。采用商用電橋測量鐵電電容， 由于電壓波形都為正弦或三角波形，且電壓掃描時間都在l秒以上，對鐵電薄膜電容在快 速電壓掃描下的介電性能無法進行測量，對鐵電薄膜電容介電性能微觀物理機制無法進行 研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種能快速電壓掃描測量鐵電薄膜微分電容的方法，以便于對
鐵電薄膜電容介電性能微觀物理機制進行研究。 本發(fā)明方法的具體步驟如下
(1) 利用脈沖發(fā)生器首先產(chǎn)生一預(yù)置電壓，即方波脈沖，電壓幅度及正負根據(jù)所測樣
品及設(shè)計的測量電壓的正負進行設(shè)置，而后通過設(shè)置一弛豫時間tr使注入電荷對電容測量
的影響降至最低；
(2) 下一段脈沖以相同幅度、相同方向的電壓為掃描起始電壓開始對樣品進行C-V曲 線測量，而后將另一個與掃描起始電壓相反方向的測量掃描電壓V施加在樣品上；
(3) 為了得到在測量掃描電壓V下鐵電薄膜的電容，對外加測量掃描電壓V進行微小 的變化，變化量記為AV，從而在與樣品連接的示波器上產(chǎn)生相應(yīng)的放電電流，通過對在 改變微小電壓AV后鐵電薄膜電容放電電流積分計算得出微分電容值
C = Ag/AF(AF — 0)
然后進行下一次掃描，以上面所描述脈沖波形再次加在所測樣品上，對測量掃描電壓V進行同樣的微小變化(變化量為AV)，并用同樣的方法，測量和計算鐵電薄膜在不同電 壓下的微分電容，掃描時間精確的等于V施加在樣品上的時間"，得到不同電壓掃描時間 的c-v曲線。由于預(yù)置電壓后的弛豫時間遠大于測量掃描電壓時間，使鐵電薄膜內(nèi)耐受時 間積累效應(yīng)減輕，可通過此測量方法對鐵電電容的介電性能的微觀物理過程進行研究。
上述方法中，步驟(l)中預(yù)置電壓幅度及正負是根據(jù)所測樣品及設(shè)計的測量電壓的正 負進行設(shè)置的，即預(yù)置脈沖的電壓方向是與測量掃描電壓相反的，大小是任意的(依據(jù)所 測量樣品設(shè)置)，而后通過弛豫時間tr使注入電荷對電容測量的影響降至最低。
上述方法中，步驟(2)中兩個掃描電壓脈沖與預(yù)置電壓脈沖間的弛豫時間要遠大于測 量掃描電壓時間，(即脈沖電壓V的長度)。
上述方法中，步驟(2)中測量掃描電壓V的幅度是根據(jù)測量樣品實際情況設(shè)置的。例 如，為-3V到+3V。
上述方法中，步驟(3)中施加測量掃描電壓V后的外加電壓微小變化AV是小于V的任 意正值，但在理論上其大小越小越好， 一般可取AV〈0.5V。
本發(fā)明方法充分考慮到薄膜內(nèi)不同微觀鐵電疇在外加電壓作用下對宏觀電容值的貢 獻，采用在預(yù)置脈沖后留有足夠大小的弛豫時間，使注入電荷對微觀電疇的釘扎效應(yīng)降到 最低。通過隨后的任意幅度的脈沖電壓快速掃描，對電容進行充電，并通過微小量的充電 電壓變化，使鐵電薄膜電容產(chǎn)生相應(yīng)的放電電流。通過與樣品相連的示波器求出放電電荷， 從而求出對應(yīng)的微分電容。本發(fā)明方法速度快，有利于對鐵電薄膜電容介電性能微觀物理 機制研究。


圖i為商用電橋測量c-v曲線采用的三角脈沖波形。
圖2為本發(fā)明測試方法采用的脈沖波形。
圖3為380K下電壓掃描范圍-3V到+3V不同掃描時間下鐵電薄膜電容C-V曲線。
具體實施例方式
測試所需的脈沖信號都是用Agilent 81150A任意波形信號發(fā)生器信編輯，電容放電 電流由LCWR 6200A示波器記錄，系統(tǒng)內(nèi)阻50歐姆。
一、測量不同電壓掃描時間鐵電薄膜電容的c-v曲線。
在脈沖發(fā)生器中設(shè)置所需測試脈沖波形，設(shè)置預(yù)置電壓V一，預(yù)留弛豫時間tr和掃描 起始電壓乙，要求V一與L大小與方向一致，并且tr時間要遠大于預(yù)置電壓掃描時間t.， 設(shè)置測量掃描電壓V的變化范圍和微小電壓變化AV。而后通過與樣品相連示波器對放電 電流進行積分，根據(jù)公式<formula>formula see original document page 5</formula>
得到不同電壓掃描時間的C-V曲線。
下面結(jié)合具體例子說明，鐵電薄膜電容樣品為Pt/Ir02/Pb (Zr。.4Ti。b) 03(PZT)/Ir02/Pt/Si，鐵電薄膜厚度為140nm。在380K下，樣品測量掃描電壓從-3V到+3V， 預(yù)置電壓V一和掃描起始電壓V^都設(shè)置為-3V，微小電壓變化AV設(shè)置為0.2V,預(yù)置時間 tr為1秒。電壓掃描時間分別設(shè)置為1 s、4.6 s、21.5 s、 215 s、lms、4.6ms、 21.5 ms、 100 ms。附圖3給出380K下電壓掃描范圍-3V到+3V不同掃描時間下鐵電薄膜 C-V曲線。當電壓掃描時間在納秒量級的情況下時，鐵電體的電容電壓曲線會出現(xiàn)類似反 鐵電體的雙蝴蝶形狀，證明了翻轉(zhuǎn)電疇對介電常數(shù)的貢獻。
權(quán)利要求
1、一種快速電壓掃描測量鐵電薄膜微分電容的方法，其特征在于具體步驟如下(1)利用脈沖發(fā)生器首先產(chǎn)生一預(yù)置電壓，即方波脈沖，電壓幅度及正負根據(jù)所測樣品及設(shè)計的測量電壓的正負進行設(shè)置，而后通過設(shè)置一弛豫時間tr使注入電荷對電容測量的影響降至最低；(2)下一段脈沖以相同幅度、相同方向的電壓為掃描起始電壓開始對樣品進行C-V曲線測量，而后將另一個與掃描起始電壓相反方向的測量掃描電壓V施加在樣品上；(3)為了得到在測量掃描電壓V下鐵電薄膜的電容，對外加測量掃描電壓V進行微小的變化，變化量記為ΔV，從而在與樣品連接的示波器上產(chǎn)生相應(yīng)的放電電流，通過對在改變微小電壓ΔV后鐵電薄膜電容放電電流積分計算得到微分電容值ΔQ＝|∫Idt|C＝ΔQ/ΔV(ΔV→0)然后進行下一次掃描，以上面所描述脈沖波形再次加在所測樣品上，對測量掃描電壓V進行同樣的微小變化，并用同樣的方法，測量和計算鐵電薄膜在不同電壓下的微分電容，掃描時間精確的等于V施加在樣品上的時間tw，得到不同電壓掃描時間的C-V曲線。
全文摘要
本發(fā)明屬于固態(tài)電介質(zhì)性能測試技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種快速電壓掃描測量鐵電薄膜微分電容的方法。本發(fā)明方法充分考慮到薄膜內(nèi)不同微觀鐵電疇在外加電壓作用下對宏觀電容值的貢獻，采用在預(yù)置脈沖后留有足夠大小的弛豫時間，使注入電荷對微觀電疇的釘扎效應(yīng)降到最低。通過隨后的任意幅度的脈沖電壓快速掃描，對電容進行充電，并通過微小量的充電電壓變化，使鐵電薄膜電容產(chǎn)生相應(yīng)的放電電流。通過與樣品相連的示波器求出放電電荷，從而求出對應(yīng)的微分電容。本發(fā)明解決了商用電橋無法快速電壓掃描的問題，為測量鐵電薄膜電容高頻響應(yīng)和研究微觀缺陷運動對介電響應(yīng)方面的貢獻提供了有效的手段。
文檔編號G01R27/26GK101655526SQ20091019545
公開日2010年2月24日 申請日期2009年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月10日
發(fā)明者劉驍兵, 江安全 申請人:復(fù)旦大學(xué)