一种快速电压扫描测量铁电薄膜微分电容的方法技术

本发明专利技术属于固态电介质性能测试技术领域，具体为一种快速电压扫描测量铁电薄膜微分电容的方法。本发明专利技术方法充分考虑到薄膜内不同微观铁电畴在外加电压作用下对宏观电容值的贡献，采用在预置脉冲后留有足够大小的弛豫时间，使注入电荷对微观电畴的钉扎效应降到最低。通过随后的任意幅度的脉冲电压快速扫描，对电容进行充电，并通过微小量的充电电压变化，使铁电薄膜电容产生相应的放电电流。通过与样品相连的示波器求出放电电荷，从而求出对应的微分电容。本发明专利技术解决了商用电桥无法快速电压扫描的问题，为测量铁电薄膜电容高频响应和研究微观缺陷运动对介电响应方面的贡献提供了有效的手段。

A fast voltage scanning method for measuring differential capacitance of ferroelectric thin films

The invention belongs to the technical field of performance testing of solid dielectrics, in particular to a fast voltage scanning method for measuring differential capacitance of ferroelectric thin films. The method of the invention is to give full consideration to the film in different micro domains in the external value of capacitor voltage under the effect of macroscopic contribution, used in the preset pulse after leaving enough size of the relaxation time, the injected charge of micro domain pinning effects to a minimum. The capacitor is charged by subsequent rapid scanning of the pulse voltage at any amplitude, and the discharge current of the ferroelectric film capacitor is generated by a slight change in the charging voltage. The discharge charge is obtained by the oscilloscope connected with the sample, and the corresponding differential capacitance is obtained. The invention solves the problem that the commercial bridge can not rapidly scan the voltage, and provides an effective means for measuring the high-frequency response of the ferroelectric thin film capacitor and studying the contribution of the micro defect motion to the dielectric response.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于固态电介质性能测试
，具体涉及铁电薄膜的微分电容测试方法。
技术介绍
电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极极化方式传递、存贮或记录电的作用 和影响，因此介电常数是表征电介质最基本的参量。铁电体是一类特殊的电介质材料，其 介电常数大、非线性效应强，有显著的温度依赖性和频率依赖性。铁电体中电容在直流电 压作用下会随时间不断下降，在电压扫描时间大于l秒的情况下得到的电容电压曲线是蝴 蝶形状的。当电压扫描时间在纳秒量级的情况下时，铁电体的电容电压曲线会出现类似反 铁电体的双蝴蝶形状，证明了翻转电畴对介电常数的贡献。采用商用电桥测量铁电电容， 由于电压波形都为正弦或三角波形，且电压扫描时间都在l秒以上，对铁电薄膜电容在快 速电压扫描下的介电性能无法进行测量，对铁电薄膜电容介电性能微观物理机制无法进行 研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种能快速电压扫描测量铁电薄膜微分电容的方法，以便于对铁电薄膜电容介电性能微观物理机制进行研究。 本专利技术方法的具体步骤如下(1) 利用脉冲发生器首先产生一预置电压，即方波脉冲，电压幅度及正负根据所测样品及设计的测量电压的正负进行设置，而后通过设置一弛豫时间tr使注入电荷对电容测量的影响降至最低；(2) 下一段脉冲以相同幅度、相同方向的电压为扫描起始电压开始对样品进行C-V曲 线测量，而后将另一个与扫描起始电压相反方向的测量扫描电压V施加在样品上；(3) 为了得到在测量扫描电压V下铁电薄膜的电容，对外加测量扫描电压V进行微小 的变化，变化量记为AV，从而在与样品连接的示波器上产生相应的放电电流，通过对在 改变微小电压AV后铁电薄膜电容放电电流积分计算得出微分电容值C = Ag/AF(AF — 0)然后进行下一次扫描，以上面所描述脉冲波形再次加在所测样品上，对测量扫描电压V进行同样的微小变化(变化量为AV)，并用同样的方法，测量和计算铁电薄膜在不同电 压下的微分电容，扫描时间精确的等于V施加在样品上的时间"，得到不同电压扫描时间 的c-v曲线。由于预置电压后的弛豫时间远大于测量扫描电压时间，使铁电薄膜内耐受时 间积累效应减轻，可通过此测量方法对铁电电容的介电性能的微观物理过程进行研究。上述方法中，步骤(l)中预置电压幅度及正负是根据所测样品及设计的测量电压的正 负进行设置的，即预置脉冲的电压方向是与测量扫描电压相反的，大小是任意的(依据所 测量样品设置)，而后通过弛豫时间tr使注入电荷对电容测量的影响降至最低。上述方法中，步骤(2)中两个扫描电压脉冲与预置电压脉冲间的弛豫时间要远大于测 量扫描电压时间，(即脉冲电压V的长度)。上述方法中，步骤(2)中测量扫描电压V的幅度是根据测量样品实际情况设置的。例 如，为-3V到+3V。上述方法中，步骤(3)中施加测量扫描电压V后的外加电压微小变化AV是小于V的任 意正值，但在理论上其大小越小越好， 一般可取AV〈0.5V。本专利技术方法充分考虑到薄膜内不同微观铁电畴在外加电压作用下对宏观电容值的贡 献，采用在预置脉冲后留有足够大小的弛豫时间，使注入电荷对微观电畴的钉扎效应降到 最低。通过随后的任意幅度的脉冲电压快速扫描，对电容进行充电，并通过微小量的充电 电压变化，使铁电薄膜电容产生相应的放电电流。通过与样品相连的示波器求出放电电荷， 从而求出对应的微分电容。本专利技术方法速度快，有利于对铁电薄膜电容介电性能微观物理 机制研究。 附图说明图i为商用电桥测量c-v曲线采用的三角脉冲波形。图2为本专利技术测试方法采用的脉冲波形。图3为380K下电压扫描范围-3V到+3V不同扫描时间下铁电薄膜电容C-V曲线。 具体实施例方式测试所需的脉冲信号都是用Agilent 81150A任意波形信号发生器信编辑，电容放电 电流由LCWR 6200A示波器记录，系统内阻50欧姆。一、测量不同电压扫描时间铁电薄膜电容的c-v曲线。在脉冲发生器中设置所需测试脉冲波形，设置预置电压V一，预留弛豫时间tr和扫描 起始电压乙，要求V一与L大小与方向一致，并且tr时间要远大于预置电压扫描时间t.， 设置测量扫描电压V的变化范围和微小电压变化AV。而后通过与样品相连示波器对放电 电流进行积分，根据公式<formula>formula see original document page 5</formula>得到不同电压扫描时间的C-V曲线。下面结合具体例子说明，铁电薄膜电容样品为Pt/Ir02/Pb (Zr。.4Ti。b) 03(PZT)/Ir02/Pt/Si，铁电薄膜厚度为140nm。在380K下，样品测量扫描电压从-3V到+3V， 预置电压V一和扫描起始电压V^都设置为-3V，微小电压变化AV设置为0.2V,预置时间 tr为1秒。电压扫描时间分别设置为1 s、4.6 s、21.5 s、 215 s、lms、4.6ms、 21.5 ms、 100 ms。附图3给出380K下电压扫描范围-3V到+3V不同扫描时间下铁电薄膜 C-V曲线。当电压扫描时间在纳秒量级的情况下时，铁电体的电容电压曲线会出现类似反 铁电体的双蝴蝶形状，证明了翻转电畴对介电常数的贡献。权利要求1、，其特征在于具体步骤如下(1)利用脉冲发生器首先产生一预置电压，即方波脉冲，电压幅度及正负根据所测样品及设计的测量电压的正负进行设置，而后通过设置一弛豫时间tr使注入电荷对电容测量的影响降至最低；(2)下一段脉冲以相同幅度、相同方向的电压为扫描起始电压开始对样品进行C-V曲线测量，而后将另一个与扫描起始电压相反方向的测量扫描电压V施加在样品上；(3)为了得到在测量扫描电压V下铁电薄膜的电容，对外加测量扫描电压V进行微小的变化，变化量记为ΔV，从而在与样品连接的示波器上产生相应的放电电流，通过对在改变微小电压ΔV后铁电薄膜电容放电电流积分计算得到微分电容值ΔQ＝|∫Idt|C＝ΔQ/ΔV(ΔV→0)然后进行下一次扫描，以上面所描述脉冲波形再次加在所测样品上，对测量扫描电压V进行同样的微小变化，并用同样的方法，测量和计算铁电薄膜在不同电压下的微分电容，扫描时间精确的等于V施加在样品上的时间tw，得到不同电压扫描时间的C-V曲线。全文摘要本专利技术属于固态电介质性能测试
，具体为。本专利技术方法充分考虑到薄膜内不同微观铁电畴在外加电压作用下对宏观电容值的贡献，采用在预置脉冲后留有足够大小的弛豫时间，使注入电荷对微观电畴的钉扎效应降到最低。通过随后的任意幅度的脉冲电压快速扫描，对电容进行充电，并通过微小量的充电电压变化，使铁电薄膜电容产生相应的放电电流。通过与样品相连的示波器求出放电电荷，从而求出对应的微分电容。本专利技术解决了商用电桥无法快速电压扫描的问题，为测量铁电薄膜电容高频响应和研究微观缺陷运动对介电响应方面的贡献提供了有效的手段。文档编号G01R27/26GK101655526SQ20091019545公开日2010年2月24日 申请日期2009年9月10日 优先权日2009年9月10日专利技术者刘骁兵, 江安全 申请人:复旦大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速电压扫描测量铁电薄膜微分电容的方法，其特征在于具体步骤如下：　（１）利用脉冲发生器首先产生一预置电压，即方波脉冲，电压幅度及正负根据所测样品及设计的测量电压的正负进行设置，而后通过设置一弛豫时间ｔ↓［ｒ］使注入电荷对电容测量的 影响降至最低；　（２）下一段脉冲以相同幅度、相同方向的电压为扫描起始电压开始对样品进行Ｃ－Ｖ曲线测量，而后将另一个与扫描起始电压相反方向的测量扫描电压Ｖ施加在样品上；　（３）为了得到在测量扫描电压Ｖ下铁电薄膜的电容，对外加测量扫 描电压Ｖ进行微小的变化，变化量记为ΔＶ，从而在与样品连接的示波器上产生相应的放电电流，通过对在改变微小电压ΔＶ后铁电薄膜电容放电电流积分计算得到微分电容值：　ΔＱ＝｜∫Ｉｄｔ｜　Ｃ＝ΔＱ／ΔＶ（ΔＶ→０）　然后进行下一次扫 描，以上面所描述脉冲波形再次加在所测样品上，对测量扫描电压Ｖ进行同样的微小变化，并用同样的方法，测量和计算铁电薄膜在不同电压下的微分电容，扫描时间精确的等于Ｖ施加在样品上的时间ｔ↓［ｗ］，得到不同电压扫描时间的Ｃ－Ｖ曲线。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：江安全，刘骁兵，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[]