$SrBi_2Nb_2O_9(SBN)$ thin films were grown on Pt/Ti/Si and p-type Si(100) substrates by rf-magnetron co-sputtering method using two ceramic targets, $SrNb_2O_6\; and \;Bi_2O_3$. The structural and electrical characteristics have been investigated to confirm the possibility of the SBN thin films for the applications to destructive and nondestructive read out ferroelectric random access memory(FRAM). For the optimum growth condition X-ray diffraction patterns showed that SBN films had well crystallized Bi-layered perovskite structure after $700^{\circ}C$ heat-treatment in furnace. From this specimen we got remnant polarization $(2P_r)$ of about 6 uC/$\textrm{cm}^2$ and coercive voltage $(V_c)$ of about 1.5 V at an applied voltage of 5 V. The leakage current density was $7.6{\times}10^{-7}$/A/$\textrm{cm}^2$ at an applied voltage of 5V. And for the NDRO-FRAM application, properties of SBN films on Si substrate has been investigated. From transmission electron microscopy (TEM) analysis, we found the furnace treated sample had a native oxide about 2 times thicker than the RTA treated sample and this thick native oxide layer had a bad effect on C-V characteristics of SBN/Si thin film. After $650^{\circ}C$ RTA process, we got the improved memory window of 1.3 V at an applied voltage of 5 V.
Kim, Sang-Su;Jang, Ki-Wan;Han, Chang-Hee;Lee, Ho-Sueb;Kim, Won-Jeong;Choi, Eun-Kyung;Park, Mun-Heum
Korean Journal of Materials Research
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v.13
no.5
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pp.317-322
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2003
Bismuth layered structure ferroelectric thin films, $Bi_4$$Ti_3$$O_{12}$ / (BTO) and Nb-doped BTO (BTN) were prepared on the Pt(111)/Ti/$SiO_2$/Si(100) substrates by a sol-gel route. We investigated the Nb-doping effect on the grain orientation and ferroelectric properties. $Nb^{5+}$ ion substitution for $Ti^{4+}$ ion in perovskite layers of BTO decreased the degree of c-axis orientation and increased the remanent polarization (2Pr). The fatigue resistance of Nb-doped BTO thin film was shown to be superior to that of BTO, and the leakage current of Nb-doped BTO thin film was decreased about 1 order of magnitude compared with BTO. The improvement of ferroelectric properties with $Nb^{5+}$ doping in BTO could be attributed to the changes in space charge densities and grain orientation in the thin film.
Bismuth layered structure ferroelectric thin films, La-substituted $Bi_{4}Ti_{3}O_{12}$ ($Bi_{1-x}La_{x}Ti_{3}O_{12}$, x=0.75, BLT) were prepared on the $Pt(111)/Ti/SiO_2/Si(100)$ substrates by a sol-gel spin coating process. The thin films were annealed in various conditions, i.e., oxygen, nitrogen and vacuum atmospheres for various annealing time. We investigated the annealing condition effects on the grain orientation and ferroelectric properties. The measured XRD patterns revealed that the BLT thin films showed only $Bi_{4}Ti_{3}O_{12}$-type phase with random orientation. $La^{3+}$ ion substitution for $Bi^{3+}$ ion in perovskite layers of $Bi_{4}Ti_{3}O_{12}$ decreased the degree of c-axis orientation and increased the remanent polarization ($2P_{r}$). The remanent polarization ($2P_{r}$) and the coercive field ($2E_{c}$) of the BLT thin film annealed at $650^{\circ}C$ for 5 min in oxygen atmosphere were $87{\mu}C/cm^2$ and 182 kV/cm, respectively, at an applied electric field of 240 kV/cm. For all of the BLT thin films annealed in various conditions, the fatigue resistance was shown. The improvement of ferroelectric properties with La substitution in $Bi_{4}Ti_{3}O_{12}$ could be attributed to the changes in space charge densities and grain orientation in the thin film.
Kim, Do-Wan;Kim, Jin-Seong;Noh, Tai-Min;Kang, Do-Won;Kim, Jeong-Wook;Lee, Hee-Soo
Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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2010.05a
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pp.48.2-48.2
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2010
The effect of additives as rare-earth in dielectric materials has been studied to meet the development trend in electronics on the miniaturization with increasing the capacitance of MLCCs (multi-layered ceramic capacitors). It was reported that the addition of rare-earth oxides in dielectrics would contribute to enhance dielectric properties and high temperature stability. Especially, dysprosium and thulium are well known to the representative elements functioned as selective substitution in barium titanate with perovskite structure. The effects of these additives on microstructure and electric properties were studied. The 0.8 mol% Dy doped $BaTiO_3$ and the 1.0 mol% Tm doped $BaTiO_3$ had the highest electric properties as optimized composition, respectively. According to the increase of rare-earth contents, the growth of abnormal grains was suppressed and pyrochlore phase was formed in more than solubility limits. Furthermore, the effect of two rare-earth elements co-doped $BaTiO_3$ on the dielectric properties and insulation resistance was investigated with different concentration. The dielectric specimens with $BaTiO_3-Dy_2O_3-Tm2O_3$ system were prepared by design of experiment for improving the electric properties and sintered at $1320^{\circ}C$ for 2h in a reducing atmosphere. The dielectric properties were evaluated from -55 to $125^{\circ}C$ (at $1KHz{\pm}10%$ and $1.0{\pm}0.2V$) and the insulation resistance was examined at 16V for 2 min. The morphology and crystallinity of the specimens were determined by microstructural and phase analysis.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.13
no.4
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pp.312-317
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2000
Ferroelectric S $r_{0.9}$/B $i_{2.1}$/T $a_{2}$/ $O_{9}$ solutions were synthesized using sol-gel process in which strontinum ethoxide bismuth ethoxide trantalum ethoxide were used a s startring materials. SBT thin films were coated on Pt/Ti/ $SiO_2$/Si substrates by spin-coating. rapid thermal annealing (RTA) was used to promote crystallization. Thin films were annealed at $700^{\circ}C$ for 1 hr in an oxygen atmosphere. This temperature is about 10$0^{\circ}C$ lower than the usual annealing temperature for SBT thin films. Pt top-electrode was deposited by sputtering and thin films were post-annealed at $700^{\circ}C$ for 30 min. to enhance electrical properties. As the RTA temperature increased the higher 2 $P_{r}$ values were obtained. At RTA temperature being 78$0^{\circ}C$ remanent polarization of S $r_{0.9}$/B $i_{2.1}$/T $a_{2}$/ $O_{9}$ thin film was 7.73 $\mu$C/cm $_2$ and the leakage current density was 1.14$\times$10$^{-7}$ A/c $m^2$ at 3 V. As RTA temperature increased the breakdown voltage was decreased. It is considered that the low-field breadown is caused by the rough surface of SBT films and forming bismuth metal in SBT thin films.films.lms.
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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v.6
no.2
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pp.51-56
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2005
Ferroelectric Bi$_{3.35}$Sm$_{0.65}$Ti$_{3}$O$_{12}$(BSmT) thin films were synthesized using a sol-gel process. Bi(TMHD)$_{3}$, Sm$_{5}$(O$^{i}$Pr)13, Ti(O$^{i}$Pr)4 were used as the precursors, which were dissolved in 2methoxyethanol. The BSmT thin films were deposited on Pt/TiO$_{x}$/SiO$_{2}$/Si substrates by spincoating. The electrical properties of the thin films were enhanced using rapid thermal annealing process (RTA) at 600 $^{circ}$C for 1 min in O$_{2}$. Thereafter, the thin films were annealed from 600 to 720 $^{circ}$C in oxygen ambient for 1 hr, which was followed by post-annealed for 1 hr after depositing a Pt electrode to enhance the electrical properties. X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) were used to analyze the crystallinity and surface morphology of layered perovskite phase, respectively. The remanent polarization value of the BSmT thin films annealed at 720 $^{circ}$C after the RTA treatment was 35.31 $\mu$C/cmz at an applied voltage of 5 V.
Ferroelectric lanthanides-substituted $Bi_4Ti_3O_{12}$$(Bi_{4-x}Ln_xTi_3O_{12}, BLnT)$ thin films approximately 200 nm in thickness were deposited by metal organic chemical vapor deposition onto Pt(111)/Ti/SiO$_2$/Si(100) substrates. Many researchers reported that the lanthanides substitution for Bi in the pseudo-perovskite layer caused the distortion of TiO$_6$ octahedron in the a-b plane accompanied with a shift of the octahedron along the a-axis. In this study, the effect of lanthanides (Ln=Pr, Eu, Gd, Dy)-substitution and crystallization temperature on their ferroelectric properties of bismuth titanate $(Bi_4Ti_3O_{12}, BIT)$ thin films were investigated. As BLnT thin films were substituted to lanthanide elements (Pr, Eu, Gd, Dy) with a smaller ionic radius, the remnant polarization (2P$_r$) values had a tendency to increase and made an exception of the Eu-substituted case because $Bi_{4-x}Eu_xTi_3O_{12}$ (BET) thin films had the smaller grain sizes than the others. In this study, we confirmed that better ferroelectric properties can be expected for films composed of larger grains in bismuth layered peroskite materials. The crystallinity of the thin films was improved and the average grain size increased as the crystallization temperature,increased from 600 to 720$^{\circ}C$. Moreover, the BLnT thin film capacitor is characterized by well-saturated polarization-electric field (P-E) curves with an increase in annealing temperature. The BLnT thin films exhibited no significant degradation of switching charge for at least up to $1.0\times10^{11}$ switching cycles at a frequency of 1 MHz. From these results, we can suggest that the BLnT thin films are the suitable dielectric materials for ferroelectric random access memory applications.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2007.06a
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pp.296-296
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2007
Ferroelectric neodymium-substituted $Bi_4Ti_3O_{12}$(BTO) thin films have been successfully deposited on Pt/Ti/$SiO_2$/Si substrate by a sol-gel spin-coating process and the effect of crystallization temperature on their microstructure and ferroelectric properties were studied systematically. $Bi(TMHD)_3$, $Nd(TMHD)_3$, $Ti(O^iPr)_4$ were used as the precursors, which were dissolved in 2-methoxyethanol. The thin films were annealed at various temperatures from 600 to $720^{\circ}C$ in oxygen ambient for 1 hr, which was followed by post-annealed for 1 hr after depositing a Pt electrode to enhance the electrical properties. X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) were used to analyze the crystallinity and surface morphology of layered perovskite phase, respectively. The crystallinity of the BNT films was improved and the average grain size increased as the crystallization temperature increased from 600 to $720^{\circ}C$ at an interval of $40^{\circ}C$. The polarization values of the films were a monotonous function of the crystallization temperature. The remanent polarization value of the BNT thin films annealed at $720^{\circ}C$ was $24.82\;{\mu}C/cm^2$ at an applied voltage of 5 V.
Myung, Jae-ha;Hong, Youn-Woo;Lee, Mi Jai;Jeon, Dae-Woo;Lee, Young-Jin;Hwang, Jonghee;Shin, Tae Ho;Paik, Jong Hoo
Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
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v.25
no.3
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pp.116-120
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2015
$La_2NiO_{4+{\delta}}$ based oxides, a mixed electronic-ionic conductors (MIECs) with $K_2NiF_4$ type structure, have been considerably investigated in recent decades as electrode materials for advanced solid oxide fuel cells (SOFCs) due to their high electrical conductivity, and oxidation reduction reaction (ORR). In this study, structure properties of $La(Ca)_2Ni(Cu)O_{4+{\delta}}$ were studied as a potential cathode for intermediate temperature SOFCs (IT-SOFCs).
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.10
no.2
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pp.49-54
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2003
We have investigated the effects of hydrogen annealing on the physical and electrical properties of $SrBi_{2}Ta_{2}O_9(SBT)$ thin films in the Pt/SBT/Si (MFS) structure and Pt/SBT/Pt (MFM) one, respectively. The microstructure and electrical characteristics of the SBT films were deteriorated after hydrogen annealing due to the damage of the SBT films during the annealing process. To investigate the reason of the degradation of the SBT films in this work, in particular, the effect of the Pt top electrodes, SBT thin films deposited on Si, Pt, respectively, were annealed with the same process conditions. From the XRD, XPS, P-V, and C-V data, it was seen that the SBT itself was degraded after $H_2$ annealing even without the Pt top electrodes. In addition, the degradation of the SBT films after $H_2$ annealing was accelerated by the catalytic reaction of the Pt top electrodes which is so-called hydrogen degradation. To prevent this phenomenon, we proposed the alternative top electrode material, i.e. Ir, and the electrical properties of the SBT thin films were examined in the $Ir/IrO_2/SBT/IrO_2$ structures before and after the H$_2$ annealing and recovery heat-treatment processes. From the results of the P-V measurement, it could be concluded that Ir is one of the promising candidate as the electrode material for degradation resistance in the MFM structure using SBT thin films.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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