电学薄膜的教案_第1页
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文档简介

电学薄膜的教案第1页/共39页连续金属薄膜

第2页/共39页四探针第3页/共39页直线四探针第4页/共39页正方形四探针第5页/共39页电导率尺寸效应

第6页/共39页电导率尺寸效应

第7页/共39页电导率尺寸效应经典模型薄膜厚度d,假定电子从O点出发,平均自由程与块状金属相同。电子运动方向与z轴(厚度方向)夹角为0,在0所对应的立体角范围内,由O点出发的电子碰到膜面时都要受到膜面的反射,实际上相当于将块状的平均自由程缩短。在大于0所对应的立体角内发出的电子平均自由程未受到膜面影响。从O点发出的电子的有效平均自由程eff就是缩短了的平均自由程和没有缩短的平均自由程之和。假定电子的密度为n,在d所对应的立体角(2sind)内的dn就为nsind。

第8页/共39页电导率尺寸效应第9页/共39页电导率尺寸效应第10页/共39页电导率尺寸效应这一公式假定所有电子都从O点出发,而实际上电子可以从z方向上任意点出发,因此需要修正。第11页/共39页电导率尺寸效应

第12页/共39页不连续金属薄膜薄膜在形成初期为非连续的小岛Au膜厚度在7nm以下的为不连续薄膜最薄的不连续Au膜的方块电阻之间相差约1012~1013倍。不连续薄膜的方块电阻与温度的关系和连续薄膜正好相反,即具有半导体(绝缘体)的性质。金薄膜的方块电阻与膜厚及温度关系第13页/共39页不连续金属薄膜不连续薄膜的电导率σ与电场E之间有非线性关系。测试温度不同,这种非线性关系也不同。不连续薄膜的导电机理与连续薄膜不同。不同测试温度下不连续薄膜的电导与外加电场关系第14页/共39页不连续金属薄膜温度在250K到300K时lgσ与1/T有着很好的线性关系。随着膜厚的减小,由图中直线斜率所求得的激活能增大,即薄膜越薄(不连续薄膜的小岛越小或小岛间间隔越大)时,激活能越大。不连续Pt膜的电导率与温度关系第15页/共39页不连续金属薄膜不连续薄膜的电性质:不连续薄膜的电阻率比连续薄膜的高得多。不连续薄膜的电阻温度系数和连续薄膜完全不同,具有半导体温度特性。不连续薄膜的电导率与外加电场关系具有非欧姆定律性质,且与激活温度有关。不连续薄膜的激活能与膜厚有关。第16页/共39页不连续金属薄膜导电机制:热电子发射热激活隧道效应第17页/共39页不连续金属薄膜

第18页/共39页不连续金属薄膜

第19页/共39页不连续金属薄膜镜像力第20页/共39页不连续金属薄膜镜像力当温度T增加时,电导率增大,这与实验得到的不连续薄膜的电导率的温度特性相一致;当小岛间距增大时,电导率由于和b有指数关系而下降,与物理概念一致,也修正了前式;当有外加电场E时,功函数的变化还要加上由外加电场而引起的那一部分。第21页/共39页不连续金属薄膜外电场当电场增大时,电导率增大,与实验相符。当外加电场很大时,金属的功函数变化如图,这时由于势垒宽度窄而导致电子的场致发射。第22页/共39页电子隧道效应热激活隧道效应:从能量角度看,小岛之间被一定势垒隔开。经典力学:电子具有的能量比势垒低,被封闭在小岛内不能穿过势垒。量子力学:不管电子具有的能量比小岛间的势垒高还是低,都能以一定的几率迁移于小岛之间,从而产生电导。小岛的电子发射与场致发射不同:一中性两小岛系统,当电子从一小岛跳出后两小岛系统的能量就增加了,增加的能量来自热能。因此热激活隧道效应的电导与温度有关,而电子冷发射与温度无关。第23页/共39页绝缘薄膜电子输运测量隧道结(夹层结构):金属-介质-金属结构测出的电导实际上不是介质薄膜的电导而是夹层结构的电导。要求电极与介质是欧姆接触。介质薄膜的电导分为离子电导和电子电导。电子电导:热电子发射:在外加电场下的热电子发射,简称肖特基发射。这是电子的能量高于界面势垒时,电极中的电子向介质薄膜的导带中发射。场致发射:外加电场使势垒变窄,能量低于势垒电子通过隧道穿过势垒进入介质导带。空间电荷效应:在介质中出现空间电荷,是由于电子在导带中聚集和被陷阱能级捕获。在导带中之所以能聚集电子是由于电子在运动中受到各种散射机制的作用。直接隧道:电子不进入介质薄膜的导带,而直接从阴极隧道到阳极。在介质薄膜中,当介质足够薄时,虽然外加电场很小,但由于直接隧道在这种结构中仍有相当的电流。第24页/共39页介电薄膜介电常数介电损耗击穿场强第25页/共39页介电常数介电常数是否和薄膜厚度有关?理论计算:除非厚度非常薄(约几个原子层厚)介电常数才会改变。仅在一种情况下即硬脂酸镉的实验中得到证实。其它情况下,实验发现厚度降至单原子层介电常数也没有变化。蒸发:薄膜不再连续,为多孔结构,介电常数下降,与基片温度、基片材料和蒸发速率等实际蒸镀条件有关。阳极氧化或热氧化:无定形氧化物薄膜,如Ta2O5和Al2O3膜,直至几个纳米的厚度是连续,已实际应用在电容器上。第26页/共39页介电损耗介电损耗:用介电薄膜作为电容器的介质时,当向电容器施加交流电场而介电薄膜内极化效应赶不上电场变化速度,便会出现介电损耗。介电损耗由三部分组成:一部分是由直流电导引起的损耗,另一部分是弛豫型损耗,还有一部分是非弛豫型损耗。第一种损耗在直流和交流下都存在,后二种只存在交流情况下。直流电导损耗在低频下非常显著,因为直流电导不随频率发生改变,其损耗角正切tg=1/CR,它随着频率上升而下降。弛豫型损耗的峰值频率在100~1MHz范围外,即甚高频。非弛豫型损耗则在100~1MHz范围内,大小基本上保持不变。第27页/共39页介电损耗弛豫型损耗:高频型:弛豫过程很快,即弛豫时间很短,引起这种损耗的是介质薄膜中的微观弛豫过程,如点缺陷对的弛豫、杂质离子的弛豫、陷阱电子的弛豫、隧道电子的弛豫、分子链节的弛豫、以及因应力或结构不匀而导致的晶格弛豫。低频型:弛豫过程较慢,弛豫时间较长,因此对应于宏观或显微过程,例如在金属-介质界面或者介质-介质界面建立起空间电荷,在介质表面或多孔性材料的孔中吸附有水层、或在不均匀介质中有电荷积聚等。非弛豫型损耗:特征:tg不随或很少随时间发生变化。原因:介质内部的不均匀性,即介质中各种微观缺陷和杂质的不均匀性,导致电子、离子、原子等所处的微观环境不同,而形成连续的分布能态,从而使它们具有连续的分布时间常数。因此,非弛豫型损耗实质上是许多连续的微弱的弛豫型损耗之和。第28页/共39页介电损耗第29页/共39页击穿强度介质薄膜的击穿分为本征性击穿和非本征性击穿,前者是介质本身的击穿,击穿场强较高,后者是由介质中的缺陷、杂质和不均匀性引起。非本征性击穿场强远低于本征值。降低的原因有:缺陷处的电流密度大,且电极材料易于向它扩散;杂质和不均匀处使电场畸变;介质薄处和晶界处电流密度大,导致电极局部熔化或者造成热应力破坏。在电极足够薄时,特别是在高阻抗电压源情况下,伴随着非本征击穿常发生“自愈”过程。所谓自愈就是在发生击穿时,由于电极熔化和挥发,弱点处被隔离开,介质重新又能承受较高的电压。第30页/共39页击穿强度击穿机理:由于薄膜的尺寸和结构排除了几种击穿机理,所以它的击穿场强比块状材料高,例如优质介质薄膜的击穿场强可达10MVcm-1,而最好的块状材料,除了云母和几种塑料,其击穿场强只能达到1MVcm-1。介质薄膜本征击穿可能机理:由于晶格的碰撞电离而导致的电子雪崩式击穿;有许多理论解释因巡游电子对晶格碰撞电离而导致的击穿:齐纳理论,该理论认为电子的产生是由于价带和导带间的隧道效应。这个理论仅限于用在很薄的薄膜(2nm)。单电子流理论:蔡斯提出类似气体击穿的单电子流理论,适合于电极较厚时发生的单点击穿。碰撞电离的起始电子来源于阴极的场致发射。这些理论都表明,随着介质薄膜厚度的增加,击穿场强有所降低。焦耳-热击穿。第31页/共39页电阻薄膜制作电阻膜最关键的要求:①电阻值随时间的变化小;②电阻温度系数(TCR)小;③可以得到预期的电阻率;④易于与其他元件(如电容器)集成。这样长期稳定的薄膜由化学性质活泼的元素的化合物制成,由此Ta引起了人们的关注。Ta是化学性质很活泼的金属,因此它的化合物具有长期稳定性。由于Ta是高熔点金属,难于蒸发,所以很难用蒸镀法加工。第32页/共39页电阻薄膜反应溅射法:首先向用于溅射的惰性气体(Ar)中加入多种气体(CO,O2,CH4,N2),研究所得薄膜的电阻率。其中TaN即使改变气体的量,电阻率也不会发生变化,即存在适于生产的区域范围。反应性气体分压与Ta膜电阻率关系第33页/共39页氮化钽薄膜的电性能电性能:在混入氮气为(4~13)×10-2Pa的范围内,TCR(温度变化1℃时的电阻变化)、电阻率ρ、加速寿命实验(在输入使用时5~10倍的电功率、室温在70℃的苛刻条件下进行的实验)中电阻变化△R,这三个量是稳定的。TaN膜的电性能与氮气分压关系第34页/共39页氮化钽薄膜的阳极氧化阳极氧化:TaN可在常温的电解液中被氧化。使用这一方法使膜的一部分氧化,随着电阻膜厚度的变化可以对电阻值进行微调,把这个氧化膜作为电容器的电介质膜,可以轻而易举制成电容器。较易实现电容器和电阻的集成化。从△R的变化来分析,如果在室温下正常使用,据推测10年后电阻变化为士0.05%以内,均满足①~④的要求。阳极氧化:在电解液(例如草酸乙二醇的水溶液)中加入TaN薄膜,加上电压之后,阳极一侧的薄膜被氧化。第35页/共39页电容薄膜为了实现电容器的高密度化、小型化,需要高介电常数的薄膜。电容C、电极面积S、绝缘膜厚度t、介电常数ε、真空介电常数ε0之间有:

C=εε0S/t。此式中,膜厚过小则会难以维持绝缘膜的耐压性。为了实现高集成化,电极的面积也必须减小,因此只有设法提高介电常数。BST(BaxSr1-xTiO3)、PLZT(Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3))都是高介电常数的材料。信号延迟高速

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