CN1818689A - 一种铁电薄膜材料i－v特性的测量方法及测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种铁电薄膜材料I－V特性的测量方法及装置，属于铁电薄膜材料测试领域。本发明的装置包括样品台(1)、探针台(2)、静电计(3)、屏蔽罩(4)、计算机及自动控制和数据处理软件(5)，本发明的测量方法采用自编软件实现自动控制测量以及数据采集和处理，测得的铁电薄膜材料在不同电压下的漏电流值更接近于样品的真实漏电流值。本发明综合考虑了铁电薄膜材料的自发极化电流、介质极化电流、漏电流以及老化电流对I－V特性测量的影响，设计了一套简便易行的、能够准确测量铁电薄膜材料I－V特性的方法及装置，既可以适用于SrTiO3等室温为顺电相的薄膜材料，也可以适用于PZT、SBT等室温为铁电相的铁电薄膜材料。

Description

一种铁电薄膜材料I-V特性的测量方法及测量装置
技术领域
本发明涉及一种铁电薄膜材料I-V特性的测量方法及测量装置，具体指一种用于铁电薄膜材料I-V特性的测量方法及测量装置，属于铁电薄膜材料测试领域。
背景技术
I-V特性是衡量铁电薄膜材料的基本参数之一。I-V特性测量即测量铁电薄膜材料在不同电压下的漏电流。铁电薄膜材料漏电流的测量方法有台阶式加电压法[H.Hu and S.B.Krupanidhi，J.Mater.Res，Vol.9，No.6，Jun 1994]，极化电流—退极化电流相减法[Guido W.Dietz andWolfgang Antphler，Mareike Klee，Rainer Waser，J.Appl.Phys，(1995)]，电流平均值法[aixACCT TF Analyzer 2000 Manual]等。
台阶式加电压法是在样品上施加测试电压，经过某一固定时间后读出电流值，将此时的电流值作为该电压下的漏电流值。对于读取电流值的时间只能事先设置，并且不同电压下读取电流值的时间是固定的。对于铁电薄膜材料在不同电压下漏电流的稳定时间是不同的，显然，这种方法测得的漏电流在低电压下包含了较多的介质极化电流，而在高压包含了老化电流。
极化电流—退极化电流相减法将测得的在某一电压下极化电流与退极化电流的绝对值相减作为样品的漏电流值，这种方法对铁电薄膜在低电压区间能够较好符合，在高电压区间出现明显的偏差。
电流平均值法是在台阶式加电压法的基础上提出的，它将加电压的整个时间的70％-90％时间段内测得的电流值的平均值作为漏电流值。由于所加电压时间是固定的，但在较高电压下铁电薄膜材料会出现由于绝缘电阻衰减而引起的老化电流，所以，在较高电压下取到的电流平均值包含了老化电流。因此，为了排除铁电薄膜材料自发极化电流、介质极化电流以及老化电流对I-V特性测量造成的影响，我们提出了针对铁电薄膜材料I-V特性的测量方法，减小自发极化电流、介质极化电流及老化电流对漏电流测量的影响，以在不同电压下测得更接近于样品真实漏电流的漏电流值。
发明内容
本发明的目的是提出一种铁电薄膜材料I-V特性的测量方法及测量装置。根据不同样品调节测试参数，以完成铁电薄膜材料I-V特性的测量，即不同电压下漏电流的测量。
本发明的测量方法是指将某一电压施加在样品，然后测量整个施加电压时间内的I-t特性曲线，通过计算机数据处理软件找到测得的I-t曲线中的电流最小值，以此作为该测试电压下待测铁电薄膜样品的漏电流值。由于介质极化比较慢，I-t特性的测量中要得到稳态的电流值需要较长的一段时间；但当测试电压比较高时，测试电压长时间的施加在样品上，会导致样品直流电阻的衰减而产生老化电流，因此，将相当长一段时间内测得的电流最小值作为该测试电压下样品的漏电流值的测量方法不仅适用于施加较低电场的情况，也适用于施加较高电场的情况，同时最大限度的降低了极化电流和老化电流对漏电流测量造成的干扰。
具体实现过程包括：
(1)将某一电压施加在样品上，根据输入的测试点数和测试点间隔时间完成在初始电压值下的I-t特性测量，通过计算机数据处理软件找出电流最小值并以此作为该电压下样品的漏电流值；
(2)根据输入的电压步长值改变施加的电压值，直到达到终止电压值为止，从而完成不同电压下I-t特性的测试，并分别找出不同电压下测得的I-t特性中电流最小值，即得到了不同电压下样品的漏电流值；
(3)根据以上数据，得到从起始电压值到终止电压值范围内各个测试电压点的漏电流值，并给出对应的I-V特性数据及曲线。
本发明的一种用于铁电薄膜材料I-V特性的测量装置，包括：样品台(1)、探针台(2)、静电计(3)、屏蔽罩(4)、计算机以及自动控制和数据处理软件(5)。
其特征在于：所说的样品台(1)由一绝缘性能良好的有机玻璃制成，其前一部分用于放置待测样品，后一部分内部具有磁性，以使探针台(2)能够固定在样品台上；所说的探针台(2)包括探针座和探针两部分，其中探针座可以通过底座的磁铁固定在样品台(1)上，同时，通过探针座上的旋钮可以使探针在X、Y、Z方向上移动；所说的静电计(3)为同时或分别具有电压源和电流表的仪表，通过数字通讯GPIB接口与计算机通讯；所说的屏蔽罩(4)是一个起到屏蔽测试信号以防受到干扰的金属网罩，测试过程中应将其接地以达到屏蔽的目的；所说的计算机以及自动控制和数据处理软件(5)是由一台安装有操作系统的计算机、静电计的控制软件和数据处理软件所构成。
利用上述装置测量铁电薄膜材料I-V特性的方法，包括以下步骤：
a.将探针台(2)放在样品台(1)中具有磁性的平台上；
b.将探针台(2)的其中一个探针输出端与静电计(3)的电压输出端相连接，然后将另一个探针输出端与静电计(3)的电流测试端相连接；
c.将样品放在样品台(1)上，然后调节探针座上的旋钮使探针分别与样品的上、下电极接触良好；
d.将整个测试系统屏蔽于屏蔽网之内，并将其接地；
e.开启静电计，预热30分钟；
f.运行计算机上的控制软件，分别设置测试参数：起始电压值、终止电压值、电压步长值、电流的量程上限、测试点数、测试点间隔时间；
g.启动测试软件，计算机将按设置的测试参数自动完成铁电薄膜材料漏电流的测量。同时，记录并保存下不同电压下测得的漏电流值，并显示出相应的I-V特性曲线。
本发明的测量方法采用自编软件实现自动控制测量以及数据采集和处理，测得的铁电薄膜材料在不同电压下的漏电流值更接近于样品的真实漏电流值。本发明综合考虑了铁电薄膜材料的自发极化电流、介质极化电流、漏电流以及老化电流对I-V特性测量的影响，设计了一套简便易行的、能够准确测量铁电薄膜材料I-V特性的方法及装置，既可以适用于SrTiO3等室温为顺电相的薄膜材料，也可以适用于PZT、SBT等室温为铁电相的铁电薄膜材料。
附图说明
图1为测量铁电薄膜材料I-V特性的等效电路。
图2为铁电薄膜I-V特性测试装置结构图，其中1为样品台、2为探针台、3为静电计、4为屏蔽罩、5为计算机及自动控制和数据处理软件。
图3为用本发明的测量方法测得的PZT铁电薄膜材料I-V特性曲线以及测试软件的界面图。
图4为采用本发明的测试方法测试的结果。
图5为采用台阶式加电压法测试的结果。
具体实施方式
本发明利用上述的测量装置和方法，对PZT铁电薄膜材料的漏电流进行测量。测试参数如下：样品电极面积：1.19mm2，样品厚度：2.1μm，电压起始值：1V，电压终止值：90V，电压步进值：1V，电流上限量程：2E-7A，测试点数：100，测试点间隔时间：0.1s，测试结果如图4。
通过本发明的测试方法和传统的台阶式加电压法两种方法对同一PZT铁电薄膜样品进行I-V特性测试，得到的测试结果分别如图4和图5所示，可以看出，在低电压区间，两种方法测得的漏电流值基本一致，但在高电压区间，由于台阶式加电压法对于施加不同的电压测试时间是固定的，在高电压区间包含了较多的老化电流，因此，台阶式加电压法测得的漏电流值要偏大。

Claims (4)

1、一种铁电薄膜材料I-V特性的测量装置，包括样品台(1)、探针台(2)、静电计(3)、屏蔽罩(4)、计算机及自动控制和数据处理软件(5)，其特征在于：
所说的探针台(2)包括探针座和探针两部分，其中探针座可以通过底座的磁铁固定在样品台(1)上，同时，通过探针座上的旋钮可以使探针在X、Y、Z方向上移动；
所说的静电计(3)为同时或分别具有电压源和电流表的仪表，通过数字通讯GPIB接口与计算机通讯；
所述的计算机以及自动控制和数据处理软件(5)是由一台安装有操作系统的计算机、静电计的控制软件和数据处理软件所构成。
2、按权利要求1所述的一种铁电薄膜材料I-V特性的测量装置，其特征在于所述的样品台(1)由一绝缘性能良好的有机玻璃制成，其前一部分用于放置待测样品，后一部分内部具有磁性，以使探针台(2)能够固定在样品台上。
3、按权利要求1所述的一种铁电薄膜材料I-V特性的测量装置，其特征在于所述的屏蔽罩(4)是一个起到屏蔽测试信号以防受到干扰的金属网罩，测试过程中应将其接地以达到屏蔽的目的。
4、一种铁电薄膜材料I-V特性的测量方法，其特征在于包括下列步骤：
a.将探针台(2)固定在样品台(1)中具有磁性的平台上；
b.将探针台(2)其中一个探针的输出端与静电计(3)的电压输出端相连接，然后将另一个探针的输出端与静电计(3)的电流测试端相连接；
c.将待测样品放在样品台(1)上，然后调节探针座上的旋钮使探针与样品的上、下电极接触良好；
d.将整个测试部分用屏蔽罩(4)屏蔽好，并将屏蔽罩(4)接地；
e.开启静电计，预热；
f.运行计算机上的测试软件，分别设置测试参数：起始电压值、终止电压值、电压步长值、电流的量程上限、测试点数、测试点间隔时间；
g.启动测试软件，计算机将按设置的参数自动完成待测薄膜样品在不同电压下漏电流的测试：根据输入的测试点数和测试点间隔时间完成起始电压值下的I-t曲线测量，最后根据数据，分别得到从起始电压值到终止电压值范围内各电压测试点所对应的漏电流值，并给出所测铁电薄膜样品的I-V特性曲线。
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