專利名稱：一種鐵電薄膜材料i－v特性的測量方法及測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵電薄膜材料I-V特性的測量方法及測量裝置，具體指一種用于鐵電薄膜材料I-V特性的測量方法及測量裝置，屬于鐵電薄膜材料測試領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
I-V特性是衡量鐵電薄膜材料的基本參數(shù)之一。I-V特性測量即測量鐵電薄膜材料在不同電壓下的漏電流。鐵電薄膜材料漏電流的測量方法有臺階式加電壓法[H.Hu and S.B.Krupanidhi，J.Mater.Res，Vol.9，No.6，Jun 1994]，極化電流—退極化電流相減法[Guido W.Dietz andWolfgang Antphler，Mareike Klee，Rainer Waser，J.Appl.Phys，(1995)]，電流平均值法[aixACCT TF Analyzer 2000 Manual]等。
臺階式加電壓法是在樣品上施加測試電壓，經(jīng)過某一固定時間后讀出電流值，將此時的電流值作為該電壓下的漏電流值。對于讀取電流值的時間只能事先設(shè)置，并且不同電壓下讀取電流值的時間是固定的。對于鐵電薄膜材料在不同電壓下漏電流的穩(wěn)定時間是不同的，顯然，這種方法測得的漏電流在低電壓下包含了較多的介質(zhì)極化電流，而在高壓包含了老化電流。
極化電流—退極化電流相減法將測得的在某一電壓下極化電流與退極化電流的絕對值相減作為樣品的漏電流值，這種方法對鐵電薄膜在低電壓區(qū)間能夠較好符合，在高電壓區(qū)間出現(xiàn)明顯的偏差。
電流平均值法是在臺階式加電壓法的基礎(chǔ)上提出的，它將加電壓的整個時間的70％-90％時間段內(nèi)測得的電流值的平均值作為漏電流值。由于所加電壓時間是固定的，但在較高電壓下鐵電薄膜材料會出現(xiàn)由于絕緣電阻衰減而引起的老化電流，所以，在較高電壓下取到的電流平均值包含了老化電流。因此，為了排除鐵電薄膜材料自發(fā)極化電流、介質(zhì)極化電流以及老化電流對I-V特性測量造成的影響，我們提出了針對鐵電薄膜材料I-V特性的測量方法，減小自發(fā)極化電流、介質(zhì)極化電流及老化電流對漏電流測量的影響，以在不同電壓下測得更接近于樣品真實漏電流的漏電流值。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種鐵電薄膜材料I-V特性的測量方法及測量裝置。根據(jù)不同樣品調(diào)節(jié)測試參數(shù)，以完成鐵電薄膜材料I-V特性的測量，即不同電壓下漏電流的測量。
本發(fā)明的測量方法是指將某一電壓施加在樣品，然后測量整個施加電壓時間內(nèi)的I-t特性曲線，通過計算機數(shù)據(jù)處理軟件找到測得的I-t曲線中的電流最小值，以此作為該測試電壓下待測鐵電薄膜樣品的漏電流值。由于介質(zhì)極化比較慢，I-t特性的測量中要得到穩(wěn)態(tài)的電流值需要較長的一段時間；但當(dāng)測試電壓比較高時，測試電壓長時間的施加在樣品上，會導(dǎo)致樣品直流電阻的衰減而產(chǎn)生老化電流，因此，將相當(dāng)長一段時間內(nèi)測得的電流最小值作為該測試電壓下樣品的漏電流值的測量方法不僅適用于施加較低電場的情況，也適用于施加較高電場的情況，同時最大限度的降低了極化電流和老化電流對漏電流測量造成的干擾。
具體實現(xiàn)過程包括(1)將某一電壓施加在樣品上，根據(jù)輸入的測試點數(shù)和測試點間隔時間完成在初始電壓值下的I-t特性測量，通過計算機數(shù)據(jù)處理軟件找出電流最小值并以此作為該電壓下樣品的漏電流值；(2)根據(jù)輸入的電壓步長值改變施加的電壓值，直到達到終止電壓值為止，從而完成不同電壓下I-t特性的測試，并分別找出不同電壓下測得的I-t特性中電流最小值，即得到了不同電壓下樣品的漏電流值；(3)根據(jù)以上數(shù)據(jù)，得到從起始電壓值到終止電壓值范圍內(nèi)各個測試電壓點的漏電流值，并給出對應(yīng)的I-V特性數(shù)據(jù)及曲線。
本發(fā)明的一種用于鐵電薄膜材料I-V特性的測量裝置，包括樣品臺(1)、探針臺(2)、靜電計(3)、屏蔽罩(4)、計算機以及自動控制和數(shù)據(jù)處理軟件(5)。
其特征在于所說的樣品臺(1)由一絕緣性能良好的有機玻璃制成，其前一部分用于放置待測樣品，后一部分內(nèi)部具有磁性，以使探針臺(2)能夠固定在樣品臺上；所說的探針臺(2)包括探針座和探針兩部分，其中探針座可以通過底座的磁鐵固定在樣品臺(1)上，同時，通過探針座上的旋鈕可以使探針在X、Y、Z方向上移動；所說的靜電計(3)為同時或分別具有電壓源和電流表的儀表，通過數(shù)字通訊GPIB接口與計算機通訊；所說的屏蔽罩(4)是一個起到屏蔽測試信號以防受到干擾的金屬網(wǎng)罩，測試過程中應(yīng)將其接地以達到屏蔽的目的；所說的計算機以及自動控制和數(shù)據(jù)處理軟件(5)是由一臺安裝有操作系統(tǒng)的計算機、靜電計的控制軟件和數(shù)據(jù)處理軟件所構(gòu)成。
利用上述裝置測量鐵電薄膜材料I-V特性的方法，包括以下步驟a.將探針臺(2)放在樣品臺(1)中具有磁性的平臺上；b.將探針臺(2)的其中一個探針輸出端與靜電計(3)的電壓輸出端相連接，然后將另一個探針輸出端與靜電計(3)的電流測試端相連接；c.將樣品放在樣品臺(1)上，然后調(diào)節(jié)探針座上的旋鈕使探針分別與樣品的上、下電極接觸良好；d.將整個測試系統(tǒng)屏蔽于屏蔽網(wǎng)之內(nèi)，并將其接地；e.開啟靜電計，預(yù)熱30分鐘；f.運行計算機上的控制軟件，分別設(shè)置測試參數(shù)起始電壓值、終止電壓值、電壓步長值、電流的量程上限、測試點數(shù)、測試點間隔時間；g.啟動測試軟件，計算機將按設(shè)置的測試參數(shù)自動完成鐵電薄膜材料漏電流的測量。同時，記錄并保存下不同電壓下測得的漏電流值，并顯示出相應(yīng)的I-V特性曲線。
本發(fā)明的測量方法采用自編軟件實現(xiàn)自動控制測量以及數(shù)據(jù)采集和處理，測得的鐵電薄膜材料在不同電壓下的漏電流值更接近于樣品的真實漏電流值。本發(fā)明綜合考慮了鐵電薄膜材料的自發(fā)極化電流、介質(zhì)極化電流、漏電流以及老化電流對I-V特性測量的影響，設(shè)計了一套簡便易行的、能夠準(zhǔn)確測量鐵電薄膜材料I-V特性的方法及裝置，既可以適用于SrTiO3等室溫為順電相的薄膜材料，也可以適用于PZT、SBT等室溫為鐵電相的鐵電薄膜材料。
圖1為測量鐵電薄膜材料I-V特性的等效電路。
圖2為鐵電薄膜I-V特性測試裝置結(jié)構(gòu)圖，其中1為樣品臺、2為探針臺、3為靜電計、4為屏蔽罩、5為計算機及自動控制和數(shù)據(jù)處理軟件。
圖3為用本發(fā)明的測量方法測得的PZT鐵電薄膜材料I-V特性曲線以及測試軟件的界面圖。
圖4為采用本發(fā)明的測試方法測試的結(jié)果。
圖5為采用臺階式加電壓法測試的結(jié)果。
具體實施例方式
本發(fā)明利用上述的測量裝置和方法，對PZT鐵電薄膜材料的漏電流進行測量。測試參數(shù)如下樣品電極面積1.19mm2，樣品厚度2.1μm，電壓起始值1V，電壓終止值90V，電壓步進值1V，電流上限量程2E-7A，測試點數(shù)100，測試點間隔時間0.1s，測試結(jié)果如圖4。
通過本發(fā)明的測試方法和傳統(tǒng)的臺階式加電壓法兩種方法對同一PZT鐵電薄膜樣品進行I-V特性測試，得到的測試結(jié)果分別如圖4和圖5所示，可以看出，在低電壓區(qū)間，兩種方法測得的漏電流值基本一致，但在高電壓區(qū)間，由于臺階式加電壓法對于施加不同的電壓測試時間是固定的，在高電壓區(qū)間包含了較多的老化電流，因此，臺階式加電壓法測得的漏電流值要偏大。
權(quán)利要求
1.一種鐵電薄膜材料I-V特性的測量裝置，包括樣品臺(1)、探針臺(2)、靜電計(3)、屏蔽罩(4)、計算機及自動控制和數(shù)據(jù)處理軟件(5)，其特征在于所說的探針臺(2)包括探針座和探針兩部分，其中探針座可以通過底座的磁鐵固定在樣品臺(1)上，同時，通過探針座上的旋鈕可以使探針在X、Y、Z方向上移動；所說的靜電計(3)為同時或分別具有電壓源和電流表的儀表，通過數(shù)字通訊GPIB接口與計算機通訊；所述的計算機以及自動控制和數(shù)據(jù)處理軟件(5)是由一臺安裝有操作系統(tǒng)的計算機、靜電計的控制軟件和數(shù)據(jù)處理軟件所構(gòu)成。
2.按權(quán)利要求1所述的一種鐵電薄膜材料I-V特性的測量裝置，其特征在于所述的樣品臺(1)由一絕緣性能良好的有機玻璃制成，其前一部分用于放置待測樣品，后一部分內(nèi)部具有磁性，以使探針臺(2)能夠固定在樣品臺上。
3.按權(quán)利要求1所述的一種鐵電薄膜材料I-V特性的測量裝置，其特征在于所述的屏蔽罩(4)是一個起到屏蔽測試信號以防受到干擾的金屬網(wǎng)罩，測試過程中應(yīng)將其接地以達到屏蔽的目的。
4.一種鐵電薄膜材料I-V特性的測量方法，其特征在于包括下列步驟a.將探針臺(2)固定在樣品臺(1)中具有磁性的平臺上；b.將探針臺(2)其中一個探針的輸出端與靜電計(3)的電壓輸出端相連接，然后將另一個探針的輸出端與靜電計(3)的電流測試端相連接；c.將待測樣品放在樣品臺(1)上，然后調(diào)節(jié)探針座上的旋鈕使探針與樣品的上、下電極接觸良好；d.將整個測試部分用屏蔽罩(4)屏蔽好，并將屏蔽罩(4)接地；e.開啟靜電計，預(yù)熱；f.運行計算機上的測試軟件，分別設(shè)置測試參數(shù)起始電壓值、終止電壓值、電壓步長值、電流的量程上限、測試點數(shù)、測試點間隔時間；g.啟動測試軟件，計算機將按設(shè)置的參數(shù)自動完成待測薄膜樣品在不同電壓下漏電流的測試根據(jù)輸入的測試點數(shù)和測試點間隔時間完成起始電壓值下的I-t曲線測量，最后根據(jù)數(shù)據(jù)，分別得到從起始電壓值到終止電壓值范圍內(nèi)各電壓測試點所對應(yīng)的漏電流值，并給出所測鐵電薄膜樣品的I-V特性曲線。
全文摘要
本發(fā)明提供一種鐵電薄膜材料I－V特性的測量方法及裝置，屬于鐵電薄膜材料測試領(lǐng)域。本發(fā)明的裝置包括樣品臺(1)、探針臺(2)、靜電計(3)、屏蔽罩(4)、計算機及自動控制和數(shù)據(jù)處理軟件(5)，本發(fā)明的測量方法采用自編軟件實現(xiàn)自動控制測量以及數(shù)據(jù)采集和處理，測得的鐵電薄膜材料在不同電壓下的漏電流值更接近于樣品的真實漏電流值。本發(fā)明綜合考慮了鐵電薄膜材料的自發(fā)極化電流、介質(zhì)極化電流、漏電流以及老化電流對I－V特性測量的影響，設(shè)計了一套簡便易行的、能夠準(zhǔn)確測量鐵電薄膜材料I－V特性的方法及裝置，既可以適用于SrTiO
文檔編號G01R31/00GK1818689SQ20061002470
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月15日
發(fā)明者曹菲, 董顯林, 王根水, 李建潼 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所