電學(xué)薄膜的教案

電學(xué)薄膜的教案第1頁/共39頁連續(xù)金屬薄膜

第2頁/共39頁四探針第3頁/共39頁直線四探針第4頁/共39頁正方形四探針第5頁/共39頁電導(dǎo)率尺寸效應(yīng)

第6頁/共39頁電導(dǎo)率尺寸效應(yīng)

第7頁/共39頁電導(dǎo)率尺寸效應(yīng)經(jīng)典模型薄膜厚度d，假定電子從O點(diǎn)出發(fā)，平均自由程與塊狀金屬相同。電子運(yùn)動方向與z軸(厚度方向)夾角為0，在0所對應(yīng)的立體角范圍內(nèi)，由O點(diǎn)出發(fā)的電子碰到膜面時都要受到膜面的反射，實際上相當(dāng)于將塊狀的平均自由程縮短。在大于0所對應(yīng)的立體角內(nèi)發(fā)出的電子平均自由程未受到膜面影響。從O點(diǎn)發(fā)出的電子的有效平均自由程eff就是縮短了的平均自由程和沒有縮短的平均自由程之和。假定電子的密度為n，在d所對應(yīng)的立體角(2sind)內(nèi)的dn就為nsind。

第8頁/共39頁電導(dǎo)率尺寸效應(yīng)第9頁/共39頁電導(dǎo)率尺寸效應(yīng)第10頁/共39頁電導(dǎo)率尺寸效應(yīng)這一公式假定所有電子都從O點(diǎn)出發(fā)，而實際上電子可以從z方向上任意點(diǎn)出發(fā)，因此需要修正。第11頁/共39頁電導(dǎo)率尺寸效應(yīng)

第12頁/共39頁不連續(xù)金屬薄膜薄膜在形成初期為非連續(xù)的小島Au膜厚度在7nm以下的為不連續(xù)薄膜最薄的不連續(xù)Au膜的方塊電阻之間相差約1012~1013倍。不連續(xù)薄膜的方塊電阻與溫度的關(guān)系和連續(xù)薄膜正好相反，即具有半導(dǎo)體(絕緣體)的性質(zhì)。金薄膜的方塊電阻與膜厚及溫度關(guān)系第13頁/共39頁不連續(xù)金屬薄膜不連續(xù)薄膜的電導(dǎo)率σ與電場E之間有非線性關(guān)系。測試溫度不同，這種非線性關(guān)系也不同。不連續(xù)薄膜的導(dǎo)電機(jī)理與連續(xù)薄膜不同。不同測試溫度下不連續(xù)薄膜的電導(dǎo)與外加電場關(guān)系第14頁/共39頁不連續(xù)金屬薄膜溫度在250K到300K時lgσ與1/T有著很好的線性關(guān)系。隨著膜厚的減小，由圖中直線斜率所求得的激活能增大，即薄膜越薄(不連續(xù)薄膜的小島越小或小島間間隔越大)時，激活能越大。不連續(xù)Pt膜的電導(dǎo)率與溫度關(guān)系第15頁/共39頁不連續(xù)金屬薄膜不連續(xù)薄膜的電性質(zhì):不連續(xù)薄膜的電阻率比連續(xù)薄膜的高得多。不連續(xù)薄膜的電阻溫度系數(shù)和連續(xù)薄膜完全不同，具有半導(dǎo)體溫度特性。不連續(xù)薄膜的電導(dǎo)率與外加電場關(guān)系具有非歐姆定律性質(zhì)，且與激活溫度有關(guān)。不連續(xù)薄膜的激活能與膜厚有關(guān)。第16頁/共39頁不連續(xù)金屬薄膜導(dǎo)電機(jī)制：熱電子發(fā)射熱激活隧道效應(yīng)第17頁/共39頁不連續(xù)金屬薄膜

第18頁/共39頁不連續(xù)金屬薄膜

第19頁/共39頁不連續(xù)金屬薄膜鏡像力第20頁/共39頁不連續(xù)金屬薄膜鏡像力當(dāng)溫度T增加時，電導(dǎo)率增大，這與實驗得到的不連續(xù)薄膜的電導(dǎo)率的溫度特性相一致；當(dāng)小島間距增大時，電導(dǎo)率由于和b有指數(shù)關(guān)系而下降，與物理概念一致，也修正了前式；當(dāng)有外加電場E時，功函數(shù)的變化還要加上由外加電場而引起的那一部分。第21頁/共39頁不連續(xù)金屬薄膜外電場當(dāng)電場增大時，電導(dǎo)率增大，與實驗相符。當(dāng)外加電場很大時，金屬的功函數(shù)變化如圖，這時由于勢壘寬度窄而導(dǎo)致電子的場致發(fā)射。第22頁/共39頁電子隧道效應(yīng)熱激活隧道效應(yīng)：從能量角度看，小島之間被一定勢壘隔開。經(jīng)典力學(xué)：電子具有的能量比勢壘低，被封閉在小島內(nèi)不能穿過勢壘。量子力學(xué)：不管電子具有的能量比小島間的勢壘高還是低，都能以一定的幾率遷移于小島之間，從而產(chǎn)生電導(dǎo)。小島的電子發(fā)射與場致發(fā)射不同：一中性兩小島系統(tǒng)，當(dāng)電子從一小島跳出后兩小島系統(tǒng)的能量就增加了，增加的能量來自熱能。因此熱激活隧道效應(yīng)的電導(dǎo)與溫度有關(guān)，而電子冷發(fā)射與溫度無關(guān)。第23頁/共39頁絕緣薄膜電子輸運(yùn)測量隧道結(jié)(夾層結(jié)構(gòu))：金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)測出的電導(dǎo)實際上不是介質(zhì)薄膜的電導(dǎo)而是夾層結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)。要求電極與介質(zhì)是歐姆接觸。介質(zhì)薄膜的電導(dǎo)分為離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)。電子電導(dǎo)：熱電子發(fā)射：在外加電場下的熱電子發(fā)射，簡稱肖特基發(fā)射。這是電子的能量高于界面勢壘時，電極中的電子向介質(zhì)薄膜的導(dǎo)帶中發(fā)射。場致發(fā)射：外加電場使勢壘變窄，能量低于勢壘電子通過隧道穿過勢壘進(jìn)入介質(zhì)導(dǎo)帶。空間電荷效應(yīng)：在介質(zhì)中出現(xiàn)空間電荷，是由于電子在導(dǎo)帶中聚集和被陷阱能級捕獲。在導(dǎo)帶中之所以能聚集電子是由于電子在運(yùn)動中受到各種散射機(jī)制的作用。直接隧道：電子不進(jìn)入介質(zhì)薄膜的導(dǎo)帶，而直接從陰極隧道到陽極。在介質(zhì)薄膜中，當(dāng)介質(zhì)足夠薄時，雖然外加電場很小，但由于直接隧道在這種結(jié)構(gòu)中仍有相當(dāng)?shù)碾娏鳌５?4頁/共39頁介電薄膜介電常數(shù)介電損耗擊穿場強(qiáng)第25頁/共39頁介電常數(shù)介電常數(shù)是否和薄膜厚度有關(guān)？理論計算：除非厚度非常薄(約幾個原子層厚)介電常數(shù)才會改變。僅在一種情況下即硬脂酸鎘的實驗中得到證實。其它情況下，實驗發(fā)現(xiàn)厚度降至單原子層介電常數(shù)也沒有變化。蒸發(fā)：薄膜不再連續(xù)，為多孔結(jié)構(gòu)，介電常數(shù)下降，與基片溫度、基片材料和蒸發(fā)速率等實際蒸鍍條件有關(guān)。陽極氧化或熱氧化：無定形氧化物薄膜，如Ta2O5和Al2O3膜，直至幾個納米的厚度是連續(xù)，已實際應(yīng)用在電容器上。第26頁/共39頁介電損耗介電損耗：用介電薄膜作為電容器的介質(zhì)時，當(dāng)向電容器施加交流電場而介電薄膜內(nèi)極化效應(yīng)趕不上電場變化速度，便會出現(xiàn)介電損耗。介電損耗由三部分組成：一部分是由直流電導(dǎo)引起的損耗，另一部分是弛豫型損耗，還有一部分是非弛豫型損耗。第一種損耗在直流和交流下都存在，后二種只存在交流情況下。直流電導(dǎo)損耗在低頻下非常顯著，因為直流電導(dǎo)不隨頻率發(fā)生改變，其損耗角正切tg=1/CR，它隨著頻率上升而下降。弛豫型損耗的峰值頻率在100~1MHz范圍外，即甚高頻。非弛豫型損耗則在100~1MHz范圍內(nèi)，大小基本上保持不變。第27頁/共39頁介電損耗弛豫型損耗：高頻型：弛豫過程很快，即弛豫時間很短，引起這種損耗的是介質(zhì)薄膜中的微觀弛豫過程，如點(diǎn)缺陷對的弛豫、雜質(zhì)離子的弛豫、陷阱電子的弛豫、隧道電子的弛豫、分子鏈節(jié)的弛豫、以及因應(yīng)力或結(jié)構(gòu)不勻而導(dǎo)致的晶格弛豫。低頻型：弛豫過程較慢，弛豫時間較長，因此對應(yīng)于宏觀或顯微過程，例如在金屬-介質(zhì)界面或者介質(zhì)-介質(zhì)界面建立起空間電荷，在介質(zhì)表面或多孔性材料的孔中吸附有水層、或在不均勻介質(zhì)中有電荷積聚等。非弛豫型損耗：特征：tg不隨或很少隨時間發(fā)生變化。原因：介質(zhì)內(nèi)部的不均勻性，即介質(zhì)中各種微觀缺陷和雜質(zhì)的不均勻性，導(dǎo)致電子、離子、原子等所處的微觀環(huán)境不同，而形成連續(xù)的分布能態(tài)，從而使它們具有連續(xù)的分布時間常數(shù)。因此，非弛豫型損耗實質(zhì)上是許多連續(xù)的微弱的弛豫型損耗之和。第28頁/共39頁介電損耗第29頁/共39頁擊穿強(qiáng)度介質(zhì)薄膜的擊穿分為本征性擊穿和非本征性擊穿，前者是介質(zhì)本身的擊穿，擊穿場強(qiáng)較高，后者是由介質(zhì)中的缺陷、雜質(zhì)和不均勻性引起。非本征性擊穿場強(qiáng)遠(yuǎn)低于本征值。降低的原因有：缺陷處的電流密度大，且電極材料易于向它擴(kuò)散；雜質(zhì)和不均勻處使電場畸變；介質(zhì)薄處和晶界處電流密度大，導(dǎo)致電極局部熔化或者造成熱應(yīng)力破壞。在電極足夠薄時，特別是在高阻抗電壓源情況下，伴隨著非本征擊穿常發(fā)生“自愈”過程。所謂自愈就是在發(fā)生擊穿時，由于電極熔化和揮發(fā)，弱點(diǎn)處被隔離開，介質(zhì)重新又能承受較高的電壓。第30頁/共39頁擊穿強(qiáng)度擊穿機(jī)理：由于薄膜的尺寸和結(jié)構(gòu)排除了幾種擊穿機(jī)理，所以它的擊穿場強(qiáng)比塊狀材料高，例如優(yōu)質(zhì)介質(zhì)薄膜的擊穿場強(qiáng)可達(dá)10MVcm-1，而最好的塊狀材料，除了云母和幾種塑料，其擊穿場強(qiáng)只能達(dá)到1MVcm-1。介質(zhì)薄膜本征擊穿可能機(jī)理：由于晶格的碰撞電離而導(dǎo)致的電子雪崩式擊穿；有許多理論解釋因巡游電子對晶格碰撞電離而導(dǎo)致的擊穿：齊納理論，該理論認(rèn)為電子的產(chǎn)生是由于價帶和導(dǎo)帶間的隧道效應(yīng)。這個理論僅限于用在很薄的薄膜(2nm)。單電子流理論：蔡斯提出類似氣體擊穿的單電子流理論，適合于電極較厚時發(fā)生的單點(diǎn)擊穿。碰撞電離的起始電子來源于陰極的場致發(fā)射。這些理論都表明，隨著介質(zhì)薄膜厚度的增加，擊穿場強(qiáng)有所降低。焦耳-熱擊穿。第31頁/共39頁電阻薄膜制作電阻膜最關(guān)鍵的要求:①電阻值隨時間的變化小;②電阻溫度系數(shù)(TCR)小;③可以得到預(yù)期的電阻率;④易于與其他元件(如電容器)集成。這樣長期穩(wěn)定的薄膜由化學(xué)性質(zhì)活潑的元素的化合物制成，由此Ta引起了人們的關(guān)注。Ta是化學(xué)性質(zhì)很活潑的金屬，因此它的化合物具有長期穩(wěn)定性。由于Ta是高熔點(diǎn)金屬，難于蒸發(fā)，所以很難用蒸鍍法加工。第32頁/共39頁電阻薄膜反應(yīng)濺射法：首先向用于濺射的惰性氣體(Ar)中加入多種氣體(CO,O2,CH4,N2)，研究所得薄膜的電阻率。其中TaN即使改變氣體的量，電阻率也不會發(fā)生變化，即存在適于生產(chǎn)的區(qū)域范圍。反應(yīng)性氣體分壓與Ta膜電阻率關(guān)系第33頁/共39頁氮化鉭薄膜的電性能電性能:在混入氮?dú)鉃?4~13)×10-2Pa的范圍內(nèi)，TCR(溫度變化1℃時的電阻變化)、電阻率ρ、加速壽命實驗(在輸入使用時5~10倍的電功率、室溫在70℃的苛刻條件下進(jìn)行的實驗)中電阻變化△R，這三個量是穩(wěn)定的。TaN膜的電性能與氮?dú)夥謮宏P(guān)系第34頁/共39頁氮化鉭薄膜的陽極氧化陽極氧化：TaN可在常溫的電解液中被氧化。使用這一方法使膜的一部分氧化，隨著電阻膜厚度的變化可以對電阻值進(jìn)行微調(diào)，把這個氧化膜作為電容器的電介質(zhì)膜，可以輕而易舉制成電容器。較易實現(xiàn)電容器和電阻的集成化。從△R的變化來分析，如果在室溫下正常使用，據(jù)推測10年后電阻變化為士0.05%以內(nèi)，均滿足①~④的要求。陽極氧化：在電解液(例如草酸乙二醇的水溶液)中加入TaN薄膜，加上電壓之后，陽極一側(cè)的薄膜被氧化。第35頁/共39頁電容薄膜為了實現(xiàn)電容器的高密度化、小型化，需要高介電常數(shù)的薄膜。電容C、電極面積S、絕緣膜厚度t、介電常數(shù)ε、真空介電常數(shù)ε0之間有：

C=εε0S/t。此式中，膜厚過小則會難以維持絕緣膜的耐壓性。為了實現(xiàn)高集成化，電極的面積也必須減小，因此只有設(shè)法提高介電常數(shù)。BST(BaxSr1-xTiO3)、PLZT(Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3))都是高介電常數(shù)的材料。信號延遲高速