电激励循环对PZT薄膜电容器内部电阻和界面电容分布的演化影响

《Current Applied Physics》：Electrical cycling induced evolution of internal resistance and interfacial capacitance distributions in PZT thin-film capacitors

铁电薄膜电容器在反复电周期下的内阻与界面电容演化规律研究，通过一阶反转曲线（FORC）分析与开关电流电路模型结合，揭示矫顽电压分布变窄、内偏压分布趋零等现象，证实疲劳退化与漏电流及有效氧化物厚度增加存在关联。

　　

金泰勋（Tae Hoon Kim）| 金哲俊（Cheol Jun Kim）| 库敏京（Min Kyung Ku）| 诺泰熙（Taehee Noh）| 康敏宇（Minu Kang）| 宋贤秀（Hyeon Su Seong）| 康承镇（Seung Jin Kang）| 康普秀（Bo Soo Kang）

汉阳大学应用物理系，韩国安山15588

摘要

铁电材料因其功能性特性而受到了学术界和工业界的广泛关注。然而，它们在反复电循环作用下的可靠性往往会下降。在这项研究中，我们通过结合一阶反转曲线（FORC）分析和开关电流电路模型，研究了PbZr_0.52Ti_0.48O₃（PZT）薄膜电容器中与缺陷相关的内部电阻和界面电容的变化。所提出的框架能够提供内部电阻和界面电容的分布，并追踪它们在电循环过程中的变化。FORC结果显示，随着电循环的进行，整体开关密度逐渐降低，矫顽电压分布变窄，内部偏压分布向零方向移动，这表明在极端局部条件下开关事件被选择性抑制。此外，平均内部电阻与漏电流之间存在明显的相关性，而界面电容则随循环次数的增加而单调减小，这被解释为有效氧化物厚度的增加。这种纯粹的电学分析为PZT薄膜电容器中由疲劳引起的非均匀退化提供了定量见解，并可扩展到其他铁电材料系统。

引言

铁电材料在临界温度以下会表现出自发电极化，通过施加外部电压（V）可以切换这种极化（P）。当电压在铁电材料上扫描时，可以得到一个迟滞环，显示出饱和极化（Ps）、剩余极化（Pr）和矫顽电压（Vc）等关键特性[1]。利用这种非线性的P-V特性，可以实现通过铁电材料的双稳态极化来稳定维持逻辑状态“0”和“1”的非易失性存储器件[2,3]。 因此，铁电材料在过去几十年中在学术界和工业界都受到了极大的关注，并在各种电子设备中有着广泛的应用。然而，铁电材料的实际应用涉及到可靠性问题[4]。反复的极化切换会导致极化强度的下降，即所谓的疲劳现象，最终会导致无法区分逻辑状态[2]。当在原始状态下对铁电材料进行大量电循环（即使一次也没有施加电压）时，铁电材料的剩余极化（Pr）会低于原始状态[5],[6],[7]。这种现象源于畴壁钉扎、种子抑制以及铁电层中的氧空位和陷阱电荷等缺陷之间的复杂相互作用[7,8]。 非铁电界面层（由铁电材料与电极之间的相互作用形成的介电层，或由于电极的有限屏蔽长度而产生的固有死层）是导致疲劳的因素之一。Do等人发现，PbZr_0.52Ti_0.48O₃薄膜电容器的电极/铁电界面层是疲劳现象的起源[9]。他们还表明，反复的电场循环会导致界面分解，从而形成非铁电层[10]。此外，随着铁电薄膜尺寸趋近于原子尺度，界面层对薄膜的整体性能以及基于铁电材料的器件的可靠性和性能变得至关重要[11,12]。迄今为止，已经有许多研究探讨了界面层对各种铁电薄膜（如(Pb,La)(Zr,Ti)O₃[13]、BaTiO₃[11]和Hf_0.5Zr_0.5O₂[14]）特性的影响。界面层的形成会通过产生不必要的串联电容来提高工作电压，从而导致性能问题[11,14]。 A. Q. Jiang等人[15]提出，在多晶铁电薄膜电容器中，极化切换过程中的电流斜率会因界面层的充电而发生变化。他们认为，当畴在明确的矫顽电压Vc处切换时，如果对电容器施加的电压大于Vc，那么在切换过程中铁电层上会施加与Vc相同大小的电压，而剩余的电压则施加在界面层上。这意味着可以通过测量开关电流来估算界面电容（Ci）。因此，已有几项研究使用这种方法研究了界面层[14],[16],[17],[18]。 然而，在多晶薄膜中，Ci必然具有局部值的分布，而不是单一值。铁电薄膜表现出内部偏压和矫顽电压的分布，这通过开关密度的分布来体现。考虑这些分布对于推导Ci的分布是有用的。因此，我们提出了一个用于PZT薄膜电容器极化切换的电路模型，该模型结合了内部偏压和矫顽电压的分布。该模型的目的是提供一个自洽的分析框架，将FORC得到的开关密度分布与开关电流动态联系起来，而不是建立材料参数的通用定量值。该框架对其他铁电系统的适用性将是未来研究的课题。

材料与方法

PZT薄膜（即Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃）是通过溶胶-凝胶工艺制备的溶液沉积在Pt/Ti/SiO₂/Si基底上的。使用旋涂机以2500 rpm的速度将薄膜涂覆至60 nm的厚度，持续1分钟。沉积后，样品在热板上烘烤90秒，然后在传统炉中以600°C退火1小时。使用电子束蒸发器沉积30 nm厚的Pt顶电极，并通过遮罩形成方形图案。

结果与讨论

图1显示了随着电循环次数的增加，PZT薄膜电容器的（a）P-V迟滞环和（b）电流-电压特性。如图1(a)所示，在原始状态下，最大施加电压下的饱和极化Ps⁺和Ps^-分别为±36.94 μC/cm²。正极化和负极化后的零电压下的剩余极化Pr⁺和Pr^-的总剩余极化为2Pr = (Ps⁺ - Pr^-) = 36.40 μC/cm²。

结论

在这项研究中，我们提出了一个用于铁电电容器极化切换的电路模型，该模型考虑了内部偏压和矫顽电压的分布，从而能够提取电循环过程中的内部电阻和界面电容的分布。通过迟滞环、电流-电压特性以及从FORC分析得到的开关密度分布，证实了宏观疲劳行为的存在。

资金来源

本工作得到了韩国政府资助的“国家研究基金会”（项目编号：2021R1F1A1064104）和教育部资助的“韩国基础科学研究所”（国家研究设施与设备中心）（项目编号：2021R1A6C101A405）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Editage（www.editage.co.kr）对本文的英文编辑工作。