[发明专利]具有改善的疲劳和击穿性能的铁电电容器

说明书

公开了铁电材料(12)和其在电容器中使用的方法。铁电材料(12)包括包含铁电聚合物(12a)和具有低介电常数的介电聚合物(12b)的聚合物共混物。介电聚合物(12b)可以从铁电聚合物(12a)中相分离以使得在铁电聚合物(12a)内形成多个分离的区域(12b)。铁电材料(12)布置在两个电极(11)和(13)之间。多个区域(12b)用作电荷捕获区域以储存电荷并阻止电荷载体自由地移动穿过铁电聚合物(12a)。

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年9月10日提交的美国临时专利申请61/876,033号，2013年8月16日提交的美国临时专利申请61/866,882号和2013年3月14号提交的美国临时专利申请61/784,011号的利益。参考申请的内容通过引用并入本申请。

发明背景

A.发明领域

本公开一般涉及用于非易失性存储器和能量储存应用的具有改善的疲劳和介质击穿特性的铁电材料。该材料包含提供改善的特性的聚合物共混物。

B.相关技术说明

在许多电子产品中，如个人计算机系统、基于嵌入式处理器的系统、视频图像处理电路、便携式电话等，存储系统用于存储数据、程序代码和/或其他信息。电子装置中存储单元的重要特性是低成本、非易失性、高密度、可写性、低功率和高速。常规存储方案包括只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、电可编程存储器(EPROM)、电可擦可编程序只读存储器(EEPROM)、动态随机存取存储器(DRAM)和静态随机存取存储器(SRAM)。

ROM成本较低，但不能重写。PROM可电编程，但仅具有单个写周期。EPROM具有相对于ROM和PROM读周期快的读周期，但具有较长的擦除时间和仅在几个反复读/写周期内的可靠性。EEPROM(或“闪存”)是廉价的，并且具有低的功率消耗，但是具有长的写周期(ms)和与DRAM或SRAM相比低的相对速度。闪存还具有有限数量的读/写周期，这导致低的长期可靠性。ROM、PROM、EPROM和EEPROM都是非易失的，这意味着如果存储器的供电被中断，则存储器会保留存储在存储单元中的信息。

DRAM将电荷储存在用作电容器但必须每几毫秒电刷新的晶体管门上，这由于需要单独的电路来在电容器放电之前“刷新”存储内容而使得系统设计复杂化。SRAM不需要刷新并且比DRAM快，但是相对于DRAM具有更低的密度并且更加昂贵。SRAM和DRAM都是易失性的，这意味着如果存储器的供电被中断，则存储器会丢失存储在存储单元中的信息。

因此，现有技术要么是非易失性但不是可随机存取的、并具有低密度、高成本和有限的允许在电路功能的高可靠性下多次写入的能力，要么它们是易失性的、并使系统设计复杂化、或具有低密度。一些技术已经尝试解决这些缺点，包括铁磁RAM(FRAM)，其利用铁电电容器的铁磁区域来产生非易失性存储单元。

这些电容器是使用由铁电聚合物层隔开的两个平行的导电板制造的。铁电聚合物层本质上是绝缘膜的薄层，所述绝缘膜含有通过相反的电场能够重复反转的永久电极化。因此，铁电电容器具有在没有电力的情况下其可以保持的两种可能的非易失性状态，对应于数字存储器中的两种二进制逻辑电平。铁电电容器经常使用聚偏氟乙烯(PVDF-TrFE)共聚物作为铁电材料，这是因为其大的极化值以及电性能和材料性能。

铁电电容器还提供能量储存功能。当跨过板施加电压时，铁电体中的电场使电荷移位，并由此储存能量。由铁电电容器储存的能量的量取决于绝缘材料的介电常数和膜的尺寸(总面积和厚度)，如此使得为了使电容器能够积累的能量的总量最大化，使膜的介电常数和击穿电压最大化，并使膜的厚度最小化。

尽管铁电电容器满足存储单元和能量储存的许多重要特性，但是它们通常具有差的耐久性。例如，由于反复反转循环或应力循环的疲劳是这些电容器的主要损坏机制。在铁电电容器中，疲劳是剩余极化值因为反复反转和铁电极化性能的退化而降低的现象。具体地，通常在微晶边界和缺陷处捕获来自电极的电荷注入，由此抑制铁电反转并导致更高的疲劳速率。