基本概念
- 导体，半导体，绝缘体/电介质
- 绝缘材料的介电性能系列知识
- 介电常数
- 击穿电压
- 介电强度（击穿场强/介质强度/电气强度）
- 漏电流、漏电流密度，击穿电压，击穿场强的定义和计算方法
关注的材料
- 二氧化硅
- 氮化硅
- 氧化铝
- 氮化铝
- 五氧化二钽
- 氮化钽
- 氧化铪
- 性能对比

基本概念

导体，半导体，绝缘体/电介质

半导体、导体、绝缘体的区别是什么？

绝缘体被击穿后，电阻率下降，转化为导体。

电介质是能够被电极化的绝缘体。电介质的带电粒子是被原子、分子的内力或分子间的力紧密束缚着，因此这些粒子的电荷为束缚电荷。 在外电场作用下，这些电荷也只能在微观范围内移动，产生极化。

电介质都是绝缘体，
反过来，一切绝缘体都可以做电介质

绝缘材料的介电性能系列知识

绝缘材料的介电性能（第一期）
绝缘材料的介电性能（第二期）
绝缘材料的介电性能（第三期）
绝缘材料的介电性能（第四期）
绝缘材料的介电性能（第五期）
绝缘材料的介电性能（第六期）
绝缘材料的介电性能（第七期）

绝缘体的四大参数（四个重要性质）----来自绝缘材料的介电性能（第二期）
四大参数包括了描述极化的相对介电常数εr，还有描述介电损耗的tanδ，还有描述电导特性的电导率γ，以及描述击穿的击穿场强Eb。

极化：在比较小的电场作用下，束缚电荷会在电场作用下产生极化。

电导：除了束缚电荷以外，绝缘材料内部还有一些数量比较少的自由电荷，自由电荷会在电场作用下在材料内部进行迁移，这个过程会产生电导。

损耗：束缚电荷和自由电荷在电场里面都会产生新的响应，这个新的响应表现出来就是损耗。所以损耗有一部分是来自于极化，有一部分是来自于电导，归根到底，他们都是来自于电荷的作用，也就是束缚电荷和自由电荷在电场里面的响应机制。

击穿：击穿的过程其实主要涉及到一个物理机制，就是自由电荷如何在外加的强电场里面产生数量的倍增。

介电常数----绝缘材料的介电性能（第三期）

介电常数主要描述的是电容特性，电容主要描述的是电容器能够储存电荷量的这样一种特性。

介电常数的特点就是在电场强度不大的时候，和电场强度实际上是没有什么关系的，随温度的变化也不太大。

在工程实际中，我们希望电容器的绝缘材料的εr能够大一些，这样的话保证它能够存储更多的能量。而在电缆绝缘中，又希望材料的εr能够小一点，这些都是为了提高整体性能和绝缘系统的稳定性。

电导—绝缘材料的介电性能（第四期）
电导主要描述的是在电场作用下，绝缘材料内部通过电流的这样一种情况。电导率是描述电介质或者绝缘材料的电导的参数，它表现的是绝缘材料内部自由电荷在外加电场作用下面的宏观介电行为。
一般来说，电导率和载流子的浓度，载流子的迁移率，还有载流子所带的电荷量都是有关系的，也就是电导率等于nqμ

损耗—绝缘材料的介电性能（第五期）
电介质的损耗，从定义上来说，它代表的是电介质或者绝缘材料在单位时间之内所消耗的能量。
所以说按照正常的情况，描述电介质的损耗应该是功率。但实际上我们都知道，一般是用tanδ，而不是功率P来描述绝缘材料的损耗。那为什么会有这样的情况？这是因为这个公式p=ωε0εrE2tanδ，单位体积、单位时间之内电介质的损耗可以写成这样一个公式，它和频率有关系，和介电常数有关系和电场强度有关系，还和一个损耗角的正切有关系。

击穿—绝缘材料的介电性能（第六期）
击穿描述的是在强电场作用下，电流密度随着电场强度的增大突然激增。在这个临界电场强度下，电介质由绝缘状态变成导电状态，这样的过程我们就称之为是电介质的击穿。
本征特性参数Eb一定要反映出电介质能够耐受电场作用的最大能力。(描述击穿有的时候用击穿场强，有的时候是用击穿电压。在四大参数里面，我们用的是击穿场强。)

小结—绝缘材料的介电性能（第七期）

1.绝缘材料为什么不能导电？
不能导电的原因不是因为里面没有电荷，而是因为这些电荷不能自由迁移，这些电荷被称为束缚电荷。

2.绝缘材料加上电场以后有什么变化？
如果是束缚电荷的话，会产生极化；
如果是自由电荷，就会产生电导。
如果自由电荷在更大的电场作用下面，它有可能会产生倍增的过程，进而引起击穿。
而在比较小的电场作用下，自由电荷和束缚电荷形成的电导和极化，都会对损耗有一定的贡献。
-3.绝缘材料的介电参数有哪些？
就是我们所说的四大参数：介电常数、损耗、电导还有击穿。
-4.四大参数的物理本质是什么？
它们的物理本质归根到底就是电荷在电场作用下面的极化、迁移、输运和倍增等过程。

5.如何提高绝缘材料的介电性能？
举例：为了实现高的击穿场强，我们在制备CCTO陶瓷时添加了氧化铝添加剂，氧化铝在陶瓷烧结过程中可以和氧化铜/氧化亚铜发生化学反应，从而起到减少氧化铜/氧化亚铜的目的，以此来大幅度提升击穿场强。通过氧化铝的添加，将传统的CCTO陶瓷的击穿场强由4 kV/cm提高到了21 kV/cm。

介电常数

介电常数，用于衡量绝缘体储存电能的性能(电容特性)。介电常数代表了电介质的极化程度，也就是对电荷的束缚能力，介电常数越大，对电荷的束缚能力越强。

介电常数与介质导电能力无关，极化作用是与电容密切相关的，而介质导电能力是与电阻率有关的。
区分导体还是绝缘体，起决定作用的是导电率。介电常数是绝缘体的一种性质，即绝缘体的极化能力（束缚电荷的能力）。

击穿电压

前提知识：电击穿。
材料通常根据其电阻率分为导体或绝缘体。
在塑料和陶瓷等材料中，所有电子都与原子紧密结合，因此在正常条件下，材料中几乎没有可移动的电荷载流子。施加电压只会导致非常小的电流流动，从而使材料具有非常高的电阻率，这些被归类为绝缘体。
如果施加足够强的电场，则所有绝缘体都会变成导体。如果增加施加在一块绝缘体上的电压，在一定的电场下，材料中的电荷载流子数量急剧增加，其电阻率下降，从而导致强电流流过。这称为电击穿。

击穿电压的定义：使电介质击穿的电压。电介质在足够强的电场作用下将失去其介电性能成为导体,称为电介质击穿,所对应的电压称为击穿电压。
电介质击穿时的电场强度叫击穿场强。不同电介质在相同温度下,其击穿场强不同。（击穿场强通常又称为电介质的介电强度。）
击穿电压与击穿场强的关系：当电容器介质和两极板的距离d一定后,由U1-U2=Ed知,击穿场强决定了击穿电压。
提高电容器的耐压能力起关键作用的是电介质的介电强度

介电强度（击穿场强/介质强度/电气强度）

介电强度是一种材料作为绝缘体时的电强度的量度，其实就是击穿场强。
它定义为试样被击穿时，单位厚度承受的最大电压,表示为伏特每单位厚度。物质的介电强度越大它作为绝缘体的质量越好。
测试方法—将试样放置在电极之间，并通过一系列的步骤升高所施加的电压直到发生介电击穿，以此测量介电强度。

介电强度与介电常数并不相同，并不是完全正相关（但可能存在某些关系）

附带知识：场强（电场强度）
是放入电场中某点的电荷所受静电力F跟它的电荷量比值，定义式E=F/q ，适用于一切电场；其中F为电场对试探电荷的作用力，q为试探电荷的电荷量。单位N/C。

定义式：E=F/q ，F为电场对试探电荷的作用力，q为放入电场中某点的检验电荷（试探电荷）的电荷量。

真空中点电荷场强公式：E=KQ/r2 （k为静电力常量k=9.0×10^9N.m2/C^2）

匀强电场场强公式：E=U/d（d为沿场强方向两点间距离）,所以单位也可以是 V/cm

平行板电容器间的场强E=U/d=4πkQ/eS

漏电流、漏电流密度，击穿电压，击穿场强的定义和计算方法

Ta_2O_5薄膜的结构和电学性能研究_魏爱香，

关注的材料

二氧化硅

电学性能
二氧化硅膜是一种良好的绝缘膜. 电阻率在300K时约10¹⁵Ω·cm,介电强度约10⁶V/cm,介电常数约3.4 (300K,10kHz),所以在半导体器件(特别是集成电路)的制造工艺中有着极广泛的应用. 它可以用作绝缘层、杂质扩散或离子注入时的掩模、电容或MOS电路中栅极下的介质层等.

百度百科—电气强度
与相同材料的较厚的样品相比，介电膜倾向于表现出更高的介电强度。例如，几百纳米至几微米厚的二氧化硅膜的介电强度大约为0.5GV / m（即5MV/cm）。然而非常薄的层（下面，比方说，100纳米）成为由于部分导电电子隧穿。

论文报告的绝缘性能：

等离子体淀积二氧化硅的抗电特性_许春芳
PECVD, 5MV/cm时击穿率在百分之10以内

MOS结构二氧化硅层中电子热化与击穿_张积之
电场大于5MV/cm后，电子热化导致击穿

热学性能
二氧化硅的物理形态（熔融、结晶等）不同,故热导率有一定差异,平均值为1.4W/m.k。
二氧化硅热膨胀系数为0.5×10^-6/K。（17-4PH不锈钢的热膨胀系数为11.3 x 10^-6/k）
力学性能

氮化硅

氮化硅主要由Si3N4组。氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料。
京瓷氮化硅陶瓷性能

力学性能
氮化硅陶瓷具有高强度、耐高温的特点，在陶瓷材料中其综合力学性能最好，本身具有润滑性，耐热震性能、抗氧化性能、耐磨损性能、耐蚀性能好，是热机部件用陶瓷的第一候选材料。在机械工业，氮化硅陶瓷用作轴承滚珠、滚柱、滚球座圈、工模具、新型陶瓷刀具、泵柱塞、心轴密封材料等。氮化硅材料的这些性能足以与高温合金相媲美。
但作为高温结构材料，它也存在抗机械冲击强度低，容易发生脆性断裂等缺点。为此，在利用氮化硅制造复杂材料，尤其是氮化硅结合碳化硅以及用晶须和添加其它化合物进行氮化硅陶瓷增韧的研究中运用广泛。
热学性能
Si3N4陶瓷材料作为一种优异的高温工程材料，最能发挥优势的是其在高温领域中的应用，耐热冲击性极强和高温强度极佳。它极耐高温，强度一直可以维持到1200℃的高温而不下降，受热后不会熔成融体，一直到1900℃才会分解。高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。氮化硅陶瓷高温蠕变小，在高温和固定负载的作用下，所产生的缓慢塑性形变很小。
碳化硅具有潜在的高热导率(200~320W/m·K)。上海硅盐酸所研制出的氮化硅基板平均热导率为95W/(m·k)，最优可达到120W/(m·k)。氮化硅陶瓷的热导率虽然比氮化铝、氧化铍低，但明显高于一般的结构陶瓷（显著优于二氧化硅），基本能够满足基板的散热需求；而且，氮化硅陶瓷的强度和断裂韧性远高于其它的基板类陶瓷，是综合性能十分优越的散热基板材料。
热膨胀系数仅为3.2×10-6/°C。（二氧化硅热膨胀系数为0.5×10^-6/K；17-4PH不锈钢的热膨胀系数为11.3 x 10^-6/k）
化学性能
它有惊人的耐化学腐蚀性能，能耐几乎所有的无机酸和30%以下的烧碱溶液，也能耐很多有机酸的腐蚀；氮化硅与水几乎不发生作用；在浓强酸溶液中缓慢水解生成铵盐和二氧化硅；易溶于氢氟酸，与稀酸不起作用。浓强碱溶液能缓慢腐蚀氮化硅，熔融的强碱能很快使氮化硅转变为硅酸盐和氨。

氮化硅陶瓷在氧化时，表面容易形成一层致密的二氧化硅膜，阻碍其继续氧化。它耐氧化的温度可达1400℃，在还原气氛中最高可使用到1870℃。

电学性能
同时又是一种高性能电绝缘材料。

论文中报道的氮化硅薄膜绝缘特性

Si3N4膜绝缘与击穿特性的研究_吴冲若
10MV/cm的击穿场强, 沉积速率6-60nm每分钟，PECVD

氮化硅薄膜的PECVD沉积工艺与绝缘耐压性能_于映
击穿场强12MV/cm

用PECVD法在金属衬底上沉积氮化硅薄膜_于映
击穿场强10MV/cm

SiO_x_SiN_x栅极绝缘层及其LTPS-TFT研究_李松举
复合膜击穿场强11MV/cm

PECVD工艺参数及退火对氮化硅薄膜性能的影响_柳聪
介电常数在6-9之间

制备工艺

PECVD

Si3N4膜绝缘与击穿特性的研究_吴冲若（PECVD，10MV每cm的击穿场强，6-60nm每分钟）

PECVD工艺参数及退火对氮化硅薄膜性能的影响_柳聪（对介电常数的影响，介电常数在6-9之间）

PECVD氮化硅薄膜制备工艺及性能测试研究_熊成（沉积速率10-20nm每分钟、薄膜均匀度的因素）

磁控溅射

金属薄膜传感器中氮化硅薄膜的制备及工艺试验研究_伏宁娜（不锈钢基底，反应磁控溅射沉积速率6-10nm每分钟，氮化硅靶材溅射2-5nm每分钟）

氧化铝

氧化铝电阻率高，电绝缘性能好，常温电阻率10¹⁵Ω·cm，绝缘强度15kV/mm（0.15MV/cm）。机械强度高，氧化铝陶瓷烧结产品的抗弯强度可达250MPa，热压产品可达500MPa，强度在高温下可维持到900℃。

Al2O3最重要的性质是具有很高的介电常数（约为 8.1）(理想情况为9)。，很低的金属离子渗透率，抗辐射能力强，化学稳定性好，导热系数大，且其绝缘性非常好，电阻率为3×10¹⁵Ω·m，但被用作绝缘材料在高温下也存在一些问题，这个担心主要来自γ-Al203到 -Al203的晶型转变，然而由于这个变化是十分缓慢的，并且在 1000℃以上才会发生，因此这并不会造成太大的问题.。

京瓷氧化铝陶瓷性能

论文中报告的氧化铝绝缘性能

化学液相沉积制备氧化铝薄膜及在TENG中的应用_阮璐（击穿场强1.74MV每cm）

H. Bartzsch, D. Glöß, B. Böcher, et al. Properties of SiO2 and Al2O3 films for electrical insulation applications deposited by reactive pulse magnetron sputtering[J]. Surface and Coatings Technology, 2003, 174: 774-778.
（Bartzsch 等使用脉冲磁控溅射法制备了 Si O2/Al2O3 多层膜，其制备的多层膜最大的击穿场强为 8.1 MV/cm，最大电常数为 7，完全符合传感器绝缘薄膜的使用标准）

氮化铝

氮化铝(AlN)具有高强度、高体积电阻率、高绝缘耐压、热膨胀系数与硅匹配好等特性，不但用作结构陶瓷的烧结助剂或增强相，尤其是在近年来大火的陶瓷电子基板和封装材料领域，其性能远超氧化铝。

氮化铝的缺点：

AIN具有强烈的吸湿性，极易与空气中的水蒸气反应;
在空气中，AIN的初始氧化温度为700~800℃（一般电子元器件的使用环境会低于该温度）。

原文網址: 氮化铝应用 https://www.mlti.com.tw/EquipmentManufacturer/%E6%B0%91%E7%94%A8%E5%86%9B%E7%94%A8%E4%B8%80%E6%89%8B%E6%8A%93:%E9%AB%98%E6%80%A7%E8%83%BD%E6%B0%AE%E5%8C%96%E9%93%9D%E6%9D%90%E6%96%99%E5%BA%94%E7%94%A8%E5%A4%A7%E5%85%A8/
著作權歸作者所有。商業轉載請聯絡作者獲得授權，非商業轉載請註明出處。

对比氮化铝与氧化铝，发现：

导热率大大超越氧化铝（氮化铝320W/(m.k)—氧化铝12W/(m.k)）

击穿场强比氧化铝好两个数量级（氮化铝11.7x10⁶V/cm----氧化铝12x10⁶V/m）

射频磁控溅射法制备AlN薄膜及其特性研究_姜思达：

电学性能

论文报告的氮化铝薄膜击穿场强

AlN_Al_2O_3绝缘膜离子束辅助沉积工艺及结构研究_宫佳佳（2021年的硕士论文，1.3节有ALN的击穿场强相关工作: 2MV/cm）

C. L. Aardahl, J. W. Rogser, H. K. Yuk, et al. Electrical properties of Al N thin films deposited at low
temperature on Si(100)[J]. Thin Solid Films, 1999, 346(1-2): 174-180（其介电常数在 6.1-7.0 之间，击穿电场介于 2-3 MV/cm 之间）

Z. G. An, C. L. Men, Z. K. Xu, et al. Electrical properties of Al N thin films prepared by ion beam enhanced
deposition [J]. Surface and Coatings Technology, 2005, 196(1-3): 130-134. （击穿场强为 2.1 MV/cm；热处理后，击穿场强超过 4 MV/cm）

AlN薄膜的制备与介电性能研究_胡利民（反应磁控溅射3-8nm每分钟，击穿场强3-13MV每cm）

沉积参数及退火条件对AlN薄膜电学性能的影响_周继承（击穿场强13MV每cm，射频反应磁控溅射3-8nm每分钟）

高导热绝缘氮化铝薄膜的制备、性能及在LED上的应用研究_陈勇（反映磁控溅射，击穿强度7.5MV每cm）

压电性能
ALN可以作为压电薄膜材料。（压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。）
压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压,则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。
材料的压电性由压电常数决定，与晶体的对称性密切相关。石英晶体（二氧化硅晶体）是最早发现的压电晶体，也是目前最好的和最重要的压电晶体之一。
声表面波器件是利用材料的压电特性而制作的一类器件，包括滤波器和延迟线等，广泛用于通讯、广播、遥控和遥测等技术。其中心频率取决于声表面波在压电薄膜上的传播速度和叉指电极宽度。
（在薄膜受压力的情况下，既然氧化硅可以作为绝缘膜，那么氮化铝也可以作为绝缘膜。两点理由：（1）在受压力时，虽然有压电效应的材料会产生电压，但该电压差是在薄膜的上下两端，即绝缘膜平面的法向，且没有被电路引出到后续的处理电路；（2）可以将SiO2和ALN制作成非晶形态，不要做成晶体。）
热学特性
氮化硅PK氮化铝，谁才是最具有发展前途的基板材料，你站哪一边？

陶瓷基板对材料有哪些要求。
热导率高，满足器件散热需求；
耐热性好，满足功率器件高温(大于200°C)应用需求；
热膨胀系数匹配，与芯片材料热膨胀系数匹配，降低封装热应力；
介电常数小，高频特性好，降低器件信号传输时间，提高信号传输速率；
机械强度高，满足器件封装与应用过程中力学性能要求；
耐腐蚀性好，能够耐受强酸、强碱、沸水、有机溶液等侵蚀；
结构致密，满足电子器件气密封装需求。

氮化铝的导热率较高，室温时理论导热率最高可达320W/(m·K)，是氧化铝陶瓷的8～10倍，实际生产的热导率也可高达200W/(m·K)

在现有可作为基板材料使用的陶瓷材料中，Si3N4陶瓷抗弯强度最高，耐磨性好，是综合机械性能最好的陶瓷材料，同时其热膨胀系数最小，因而被很多人认为是一种很有潜力的功率器件封装基片材料。但是其制备工艺复杂，成本较高，热导率偏低，主要适合应用于强度要求较高但散热要求不高的领域。

而氮化铝各方面性能同样也非常全面，尤其是在电子封装对热导率的要求方面，氮化铝优势巨大。唯一不足的是，较高成本的原料和工艺使得氮化铝陶瓷价格很高，这是制约氮化铝基板发展的主要问题。但是随着氮化铝制备技术的不断发展，其成本必定会有所降低，氮化铝陶瓷基板在大功率LED领域大面积应用指日可待。

制备工艺

目前论文报道的工作主要是用反应磁控溅射，缺点是速度太慢。

AlN薄膜的制备与介电性能研究_胡利民（反应磁控溅射3-8nm每分钟，击穿场强3-13MV每cm）

沉积参数及退火条件对AlN薄膜电学性能的影响_周继承（击穿场强13MV每cm，射频反应磁控溅射3-8nm每分钟）

高导热绝缘氮化铝薄膜的制备、性能及在LED上的应用研究_陈勇（反映磁控溅射，击穿强度7.5MV每cm）

也有相对较快的溅射工艺，但都是用于光学材料，没有指出相关的电学性能：

AlN薄膜的制备及氧杂质影响的研究_杨露（反应磁控溅射16-21nm每分钟，光学性能）

反应磁控溅射低温沉积AlN薄膜工艺、结构与性能研究_姜川（10-20nm每分钟，光学）

氮化铝薄膜的制备与性能研究_郝春蕾（反应磁控溅射39nm每分钟）

射频磁控溅射制备AlN薄膜及其性能研究_刘丹瑛（射频反应磁控溅射，多组实验（工艺参数有列表）的沉积速率都在10-20nm每分钟#####，无电学测试）

五氧化二钽

五氧化二钽（Ta2O5）为白色无色结晶粉末，是钽最常见的氧化物，也是钽在空气中燃烧生成的最终产物。主要用作拉钽酸锂单晶和制造高折射低色散特种光学玻璃用，化工中可作催化剂。也用于电子工业。

电学特性
介电常数很高，但击穿场强相对较低。
介电常数25，有论文的氧化钽薄膜将介电常数做到了80以上。
但是磁控溅射产生的氧化钽薄膜击穿场强通常小于1MV/cm（吊诡的是，有论文报道PECVD制备的氧化钽薄膜的击穿场强达到了5MV/cm）。
所以研究中通常将五氧化二钽用于高K栅介质，但很少有将其用于普通的绝缘膜。

论文报道：

磁控溅射法：沉积慢，击穿场强较低（不如ALN，可能还不如SiO2）

五氧化二钽薄膜的制备及其I-U特性_王超（直流磁控溅射，10min生长143nm，击穿场强0.3MV每cm）

中频交流反应溅射氧化钽薄膜制备及介电性能研究_王超（生长速度3.8nm每分钟，击穿场强2.2MV每cm）

氧化钽高K薄膜的制备、结构和光、电性能的研究_张幸福（磁控溅射，3nm每分钟，击穿场强0.05MV每cm）

高介电氧化钽薄膜制备与介电性能分析_曲铭浩（直流磁控溅射，700秒生长75nm（10nm/min，算很快的了），介电常数34）

原位沉积温度对电子束蒸镀Ta_2O_5薄膜性能的影响_于龙宇（4nm每分钟，150nm的膜击穿电压为30V）

PECVD法：沉积快，击穿场强高

乙醇钽化学气相沉积制备Ta_2O_5薄膜研究进展_杨声海（PECVD制备法，击穿场强5MV每cm，借鉴################）

Ta_2O_5薄膜制备的研究现状及进展_陈胜龙（CVD和电子束蒸镀适合工业应用，1.4um每小时，有CVD高达8um每小时）

Metallorganic chemical vapor deposition of Ta2O5 films（8um每小时的沉积速率）

氮化钽

氧化铪

二氧化铪(HfO2)是一种具有较高介电常数的氧化物。作为一种介电材料，因其较高的介电常数值(~20)，较大的禁带宽度(~5.5eV)，以及在硅基底上良好的稳定性，HfO2被认为是替代场效应晶体管中传统SiO2介电层的理想材料。如果互补金属氧化物半导体器件尺寸低于1μm，以二氧化硅为传统栅介质的技术会带来芯片的发热量增加、多晶硅损耗等一系列问题，随着晶体管的尺寸缩小，二氧化硅介质要求必须越来越薄，但Chemicalbook是漏电流的数值会因为量子效应的影响随着二氧化硅介质厚度的较小而急剧升高，所以急需一种更可行的物质来取代二氧化硅作为栅介质。二氧化铪是一种具有宽带隙和高介电常数的陶瓷材料，近来在工业界特别是微电子领域被引起极度的关注，由于它很可能替代目前硅基集成电路的核心器件金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)的栅极绝缘层二氧化硅(SiO2)，以解决目前MOSFET中传统SiO2/Si结构的发展的尺寸极限问题。
根据电容公式 C＝ε0*εr *S ／d 可以看出，利用高 k 介质材料替代传统 SiO2 作为栅介质，可以在保持等效氧化层厚度 EOT （在保持栅电容值不变的条件下，以相对介电常数为3.9的 SiO2 作为标准得到的栅介质层厚度）不变的条件下，通过增加介质层的物理厚度，可以大大减小直接隧穿效应和栅介质层承受的电场强度。—来自《恒电流应力引起 HfO2栅介质薄膜的击穿特性》

氧化铪的缺点：

氧化铪介电常数很高（20），但是击穿场强却不是很高，并且研究不多。
论文1：HfO_2薄膜制备工艺及其性能研究_赵恒利（磁控溅射20min18nm，原子层沉积法的击穿场强约为4MV每cm）
论文2：二氧化铪薄膜的磁控溅射制备与性质研究_赵鹏（1.2.2节：Hf O2 亦具有较高的击穿场强，约为 3.9-6.7 MV/cm，利于保持器件的稳定性）
论文3：基于ALD生长的氧化铪薄膜器件的电学特性研究_张冠群(沉积速率0.1nm每分钟，击穿场强4MV每cm)。此外，文中绪论部分指出：HfO２具有髙介电常数>(２５)，相对较宽的带隙约5.8ｅＶ，高击穿电场(＞５ＭＶ/ｃｍ)
氧化铪薄膜的沉积速度慢。

论文中的报道

绝缘性能：

HfO_2薄膜制备工艺及其性能研究_赵恒利（磁控溅射20min18nm，原子层沉积法的击穿场强约为4MV每cm）

基于ALD生长的氧化铪薄膜器件的电学特性研究_张冠群(沉积速率0.1nm每分钟，击穿场强4MV每cm)。此外，文中绪论部分指出：HfO２具有髙介电常数>(２５)，相对较宽的带隙约5.8ｅＶ，高击穿电场(＞５ＭＶ/ｃｍ)

超薄HfO_2高K栅介质薄膜的软击穿特性_韩德栋（10nm薄膜击穿电压4.3V，即4.3MV/cm）

制备工艺

磁控溅射

二氧化铪薄膜电容器的制备及其性能研究_陈琦磊（中频磁控反应溅射，30分钟25nm）

二氧化铪薄膜的磁控溅射制备与性质研究_赵鹏（24-37nm每小时, 绪论部分介绍氧化铪击穿场强3.9-6.7，介电常数20）

射频磁控溅射沉积氧化铪薄膜纳米力学性能研究_刘政（介电常数16）

射频磁控反应溅射法制备HfO_2薄膜的研究_许宁（2-4nm每分钟，研究影响沉积速率的各因子，无电学特征分析）

氧化铪薄膜制备工艺及其性能研究_王钊（中频、射频反应磁控溅射，沉积速率2-4nm每分钟）

CVD

新型无碳前体在高k氧化物薄膜化学气相沉积上的应用_邵起越（CVD速度快，3分钟15nm）

ALD

基于ALD生长的氧化铪薄膜器件的电学特性研究_张冠群(沉积速率0.1nm每分钟，击穿场强4MV每cm)。

性能对比

材料	击穿场强	介电常数	电阻率	沉积速率	导热率	热膨胀系数	备注
17-4PH			占位	占位	10-30W/m.k	11.3 x 10^-6/k
氧化硅	5MV/cm	3.9	10¹⁶Ω.cm	占位	1.4W/m.k	0.5×10^-6/k
氮化硅	11MV/cm	6-9	10¹²Ω·cm	PECVD:6-60nm/min; 反应磁控溅射：6-10nm/min	95W/(m·k)	3.2×10-6/k	阻隔极佳，阻隔水、钠离子等
氧化铝	材料0.15MV/cm，论文报告薄膜1.74MV/cm	8.1	10¹⁵Ω.cm	占位	12-30W/m.k	7x 10^-6/k
氮化铝	3-13MV/cm（有报道2、4、7.5、13MV/cm）	8.5	>10¹³Ω.cm	反应磁控：3-8 nm/min 或10-20nm/min	300W/m.k	4.5×10-6/k
氧化钽	磁控溅射：0.05、0.3、2.2MV/cm，PECVD：5MV/cm	25，有报道34	占位	磁控溅射：3、4、10nm/min，PECVD：1.4-8um/h	—	—
氧化铪	3.9-6.7MV/cm	20	占位	磁控溅射0.5nm/min，ALD 0.1nm/min,CVD5nm/min	占位	5.6×10^-6/k

微电子基本知识---绝缘相关性质（电阻率，介电常数，漏电流，漏电流密度，击穿电压，击穿场强）相关推荐

二叉树的相关性质及其前中后层序遍历实现
写在前面: 本文前面部分介绍相关概念,后面部分是程序. 点击下面链接查看更多! 点击此处发现更多一.二叉树的概念 1.1 相关术语 ①结点:包含一个数据元素及若干指向子树分支的信息 . ②结点的度: ...
HDMI光端机基本知识及相关品牌介绍
因技术的提高,光纤价格的降低使它在各个领域得到很好的应用,因此各个光端机的厂家就好比是雨后春笋般发展起来.但是这里的厂家大部分技术并不是完全成熟,开发新技术需要耗资和人力.物力等,这就产生厂家多是中小 ...
速览EMNLP 2020上录取的知识图谱相关论文
文 | 泽宇源 | 知乎前不久,自然语言处理领域三大顶会之一的 EMNLP 2020 发布了论文录取的结果.在EMNLP 2020论文正式出版之前,泽宇搜集了目前Arxiv上已经发布出来的录取在E ...
会议交流｜大模型与图学习等知识图谱相关技术实践探索
2021年,在疫情隔离和复杂国际形势的背景下,我们越发认识到重视核心基础技术,对保持国家独立自主发展的关键价值,互联网和科技行业也面临着新的挑战和变革机遇,新的AI技术正发挥越来越大的作用,AI技术本 ...
科普 | 知识图谱相关的名词解释
知识图谱(Knowledge Graph)是谷歌于2012年提出.企业通常出于商业目的去设计新的概念和名词.但每一个概念的提出都有其历史渊源和本质内涵.下面列举了知识图谱相关的几个概念,并简要阐明了它 ...
STM32存储器 — 2STM32存储器知识的相关应用（IAP、Bit Banding）
http://blog.sina.com.cn/s/blog_6a31d1060100uaa3.html STM32存储器 - <2>STM32存储器知识的相关应用(IAP.Bit Ban ...
历史最全、最细、近一年最新知识图谱相关经典论文分享
本资源包含了知识图谱相关最全.最细.以及近一年最新经典论文,涉及知识表示.知识建模.知识抽取基础(数据采.实体识别.关系抽取.事件抽取). 知识融合. 知识图谱表示学习.知识存储.基于知识的智能问答. ...
质因数知识以及相关代码（C语言）
质因数知识以及相关代码(C语言) 以下包括分解质因数最大公约数最小公倍数互质一.质因数 1.质因数的相关数论知识在数论里是指能整除给定正整数的质数.除了1以外,两个没有其他共同质因子的正整 ...
BAT-医疗知识图谱相关产品分析介绍
为什么写之前一直把精力放在知识图谱本身的设计与实现上,并未侧重对行业落地产品与市场需求分析.近日,反思许久,也算有所感悟,究其原因是确定不下要从哪个行业.或市场入手,举旗不定. 关于知识图谱落地行业 ...

微电子基本知识---绝缘相关性质（电阻率，介电常数，漏电流，漏电流密度，击穿电压，击穿场强）

目录