[发明专利]一种用于表征铁电薄膜光电流的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁电薄膜性能测量方法，具体涉及一种用于表征铁电薄膜 光电流的测量方法，

背景技术

铁电薄膜是一类重要的功能薄膜材料。铁电材料具有介电、压电、热释电、 铁电等重要特性，可制作声表面波器件、热释电探测器、铁电随机存取存储器、 动态随机存取存储器、移相器、压控滤波器等多种器件。同时随着微电子、光 电子等技术的发展，对于各类器件提出了小型化、轻量化、集成化的要求，因 此铁电薄膜的发展成为了目前高新技术研究的前沿和热点之一。

表征铁电材料性能的参数有很多，如：自发极化、剩余极化、漏电流和介 电、压电、热释电系数等。在这些参数中，最能反应铁电薄膜本质特征的是剩 余极化。在铁电材料中，几乎所有的性能都与剩余极化的大小有关。在表征铁 电材料的这些参数时，要在铁电材料的上下表面(或同一表面)涂上金属电极 材料，形成“电极/铁电材料/电极”的电容器结构，以便测量电学参量。然而， 除了铁电材料本身的性能以外，金属电极与铁电材料的接触界面也会对铁电材 料的性能测量产生影响。在块状铁电材料中，由于界面层的厚度与铁电材料本 身的厚度相比，几乎可以忽略，所以铁电材料的性能主要取决于铁电材料本身。 而在铁电薄膜材料中，由于薄膜厚度降低到1微米以下，甚至更低，而金属/ 薄膜的界面层的厚度往往在几十个纳米左右，这时，金属/薄膜界面对铁电材 料性能的影响就不能忽略了，有时甚至起主要作用。因此，在表征铁电薄膜的 性能时，除了分析铁电薄膜本身的性能之外，金属/薄膜界面的分析也是最重 要的方面之一。

传统的铁电薄膜分析方法，除了测量铁电薄膜的电滞回线以外，金属/薄 膜的界面分析主要借助于电滞回线、C-V曲线、漏电流以及XPS谱等手段。 所有这些手段都需要大型高端设备，成本比较昂贵。另外，在过去的几十年中， 人们的研究兴趣主要集中在铁电薄膜的电学性能，如铁电、介电、压电和热释 电等电学性能，到目前为止，人们对铁电薄膜的电学性能的认识已经相当成熟。 与铁电薄膜的电学性能相比，铁电薄膜的光学性能，特别是光电流，研究还不 成熟，人们对铁电薄膜的光电流的机制还缺乏统一的认识。到目前为止，还没 有一套完整的设备或技术来表征铁电薄膜的光电流性质。正因为如此，在过去 的几年里，研究铁电薄膜的光电流已经成为铁电薄膜的研究热点之一。

当前，人们对铁电薄膜光电流的认识还仅仅局限于剩余极化的大小对光电 流的影响，一个被人们普遍接受的观点认为，光电流的大小取决与剩余极化的 大小。另外，人们也认识到金属/薄膜界面的肖特基势垒也会影响铁电薄膜的 光电流的大小，但是，金属/薄膜界面的肖特基势垒对铁电薄膜光电流的影响 机制还不是十分清楚。主要是因为在“金属/薄膜/金属”这种电容器结构中， 存在着上下两个肖特基势垒，这两个串联的肖特基势垒总是同时对光电流产生 影响，很难区分开来。

发明内容

本发明目的是提供一种用于表征铁电薄膜光电流的测量方法，能够方便地 确认各界面的肖特基势垒与剩余极化对光电流的影响。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于表征铁电薄膜光电 流的测量方法，包括下列步骤：

(1)在铁电薄膜上分别设置上电极和下电极，构成金属/薄膜/金属电容器结 构；

(2)在上述电容器结构上施加外加电场，以极化薄膜；

(3)撤除外加电场，用光源从薄膜上方照射样品表面，采集记录稳定的光电 流的大小；

(4)重复步骤(2)和(3)，分别记录在不同的极化电压下的光电流大小；

(5)以极化电压为横坐标，对应的光电流为纵坐标，将记录的光电流绘制成 光电流回路；

(6)光电流回线的纵向对称中心处的电流值用PC0表示，如果PC0为正， 则下界面肖特基势垒大于上界面肖特基势垒，如果PC0为负，则上界面肖特 基势垒大于下界面肖特基势垒，如果PC0等于零，则上下界面肖特基势垒是 对称的。

上述技术方案中，所述步骤(4)中，不同的极化电压的施加次序为，由正向 最大值逐渐减小至反向最大值，再逐渐增大至正向最大值。

所述步骤(3)中，光电流经过一个短暂的瞬态过程后(这个过程的时间长短 取决于材料本身，一般在10-100秒之间)达到一个稳定的电流值，数据采集 系统记录这个电流值，优先的技术方案是，在施加不同的极化电压进行每次测 量时，等待光电流稳定的时间相同。