BaBiO3基高敏感低阻热敏薄膜制备及其微界面导通渗流机制研究

In highly integrated microelectric circuits, the momentary overturn and disappearance of large number of gating circuits can lead to a large inrush current, and then momentarily induce the thermal burn of microeletric components with low loading current, which denotes that it is very important to develop thermistor films used in the inrush-current suppression for microelectric circuits. In our project, on the basis of the compounds BaMIIxMIII2xBi1-3xO3(M=Co, Mn, Ni) and BaMexBi1-xO3(Me=Cu, Zn), the thermistor films will be prepared by magnetron sputtering technique. The effects of film structures, ionic valence states, I-V characteristics, oxygen defects, ion vacancies, bond lengths, forbidden-band widths and film thickness on the inrush-current suppresion and thermistor characteristics are studied by heat treatment in N2, Ar，O2 and air.The conduction and percolation mechanism of film grains, grain boundaries, homo- and hetero- grain chains are analyzed by ac impedance spectra, micro-region compositions and voltage-current measurements. Lastly, the film thickness, room-temperature resistance per cm2, thermistor constant, aging value and maximum loading current are in the ranges of 0.2-2μm, ≤1.0 kΩ, ≥2000 K, ≤2% and ≥150mA, respectively. These will burden the theoretic and experimental foundations of film thermistors for practical application in the future.

在高度集成化的微电子电路中，需要用到大量的薄膜化负温度系数热敏电阻元器件，然而薄膜热敏电阻的室温阻值较大，敏感常数较低，耐老化能力差，极大地限制了其应用，这意味着需研究新型的高性能热敏薄膜电阻来满足当前需求。基于此，本项目采用磁控溅射技术，以BaMIIxMIII2xBi1-3xO3(M= Co, Mn, Ni)、BaMeIIxBi1-xO3(Me=Co, Mn, Ni, Cu, Zn)为基体制备低阻、高热敏常数、耐老化的热敏薄膜；借助O2、N2、Ar和空气热处理，研究薄膜的结构、离子价态、电压-电流特性、氧缺陷、离子空位、键长、禁带宽度、膜厚度对热敏性能的影响规律；采用微区成分和电压-电流测试及交流阻抗谱三者结合分析薄膜晶粒、晶界、同质及异质晶粒内的导通渗流机制。获得膜厚度0.2-2μm、平方厘米室温电阻≤1.0 kΩ、热敏常数≥2000 K、老化值≤2%的高性能负温度系数热敏薄膜。

在电子元器件工业，随着各种元器件的高度集成，负温度系数（NTC）热敏电阻的发展已经由块体逐步向小型化、薄膜化发展。但薄膜化的NTC 热敏材料，室温电阻率普遍较高、热敏感常数和耐老化能力下降明显。要降低室温电阻率，通常要复合高电导材料，但高电导材料的加入使得薄膜热敏电阻的敏感敏常数易于降至1000K之下并破坏 NTC 热敏行为，因而需要寻找新型的 NTC材料体系实现低阻、高敏感的薄膜器件。基于此，本项目研究了BaBiO3、BaCo0.1Bi0.9O3、BaBi0.92Cu0.08O3和BaZn0.06Bi0.94O3-δ四种陶瓷靶材和薄膜。四种陶瓷靶材均采用注浆成型技术成功制备。以这些陶瓷靶材作为材料基体，基于磁控溅射工艺、在200℃沉积温度下成功制备了这四种薄膜，其热敏性能结果为：①BaBiO3薄膜的室温电阻率ρ25~1548.0Ω.cm，热敏常数B25/85~3245K；②BaCo0.1Bi0.9O3薄膜的ρ25~ 345.6Ω.cm，B25/85~2730K；③BaZn0.06Bi0.94O3-δ薄膜的ρ25~ 1150Ω.cm，B25/85~3030K；④BaBi0.92Cu0.08O3薄膜的ρ25~ 956Ω.cm，B25/85~3480K。对这些薄膜的电学构成微区进行了分析，发现所有的薄膜都表现出晶粒、晶界和界面接触电阻行为，其中电极-样品界面电阻的存在使薄膜电阻率的持续降低变得困难，晶粒和晶界贡献了薄膜的本征电阻。采用I-V测试，功率耗散行为，热的产生和耗散导致了薄膜电阻变化；高电压下产生大电流，产生的热量比耗散的要多，这是NTC电阻器件的典型特征。如基于工业指标和技术工艺持续优化，在NTC薄膜电阻器件领域具有较强的潜在应用前景。