介质移相器用铁电薄膜性能优化研究

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作为介质移相器用的铁电薄膜材料,必须具有介电常数大、非线性强、介质损耗(tgδ)小、漏电流低等特性。本文通过对退火温度、择优取向、组分梯度的研究,对钛酸锶钡(BST)薄膜进行了性能优化。采用射频磁控溅射法,成功制备出锆钛酸钡(BZT)薄膜,并研究了氧氩比和Zr/Ti比对BZT薄膜性能的影响。最后对BST、BZT薄膜进行了可靠性测试。取得了以下研究结果:1.在不同基片上制备出的BST薄膜能承受的最高退火处理温度不同,分别为900℃(Al2O3基片)、1100℃(LaAlO3基片)和1200℃(MgO基片)。基片的晶格常数和热膨胀系数是影响承受温度的主要因素。退火温度越高,BST薄膜的偏压特性越好,优值越高。2.在(110)方向择优的BST薄膜铁电性要强于在(100)方向择优的,BST(110)薄膜具有更大的介电常数和调谐率,更小的tgδ。3.具有组分梯度的BST薄膜具有更低的介质损耗,但调谐率方面不如单层结构。Ba0.5Sr0.5TiO3/Ba0.6Sr0.4TiO3结构性能要优于Ba0.6Sr0.4TiO3/Ba0.5Sr0.5TiO3结构。4.采用射频磁控溅射法,成功制备出BZT多晶薄膜。BZT薄膜结晶良好,平整致密,无针孔,晶粒大小均匀,具有较低的漏电流。薄膜铁电性较弱,偏压电场为400kV/cm时,调谐率为15%,tgδ为0.016。膜厚减半后(偏压电场为800kV/cm)调谐率增至33.5%,tgδ为0.021。5.随着沉积时O2/Ar比的增大,BZT薄膜取向由(l00)方向逐渐向(111)方向转变。薄膜的晶粒大小、表面粗糙度、介电常数、调谐率和tgδ都随着O2/Ar比的升高而增大。BZT薄膜的铁电性也得到增强。6.对比BaZr0.2Ti0.8O3薄膜和BaZr0.1Ti0.9O3薄膜,发现减少Zr4+的含量,BZT薄膜的铁电性、介电常数和调谐率都变大了,尤其是调谐率,增至60.5%(偏压电场为800kV/cm)。7.在-30℃~130℃范围内,BST和BZT薄膜介电常数随温度的升高缓慢增大,并未出现居里点。-50℃~150℃,1MHz下,BST和BZT薄膜具有较好的温度稳定性。同时发现BST和BZT薄膜的偏压特性具有很好的抗疲劳特性。
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