论文部分内容阅读
随着信息产业的发展和电子产品的普及,对存储器的要求越来越高。以铁电场效应晶体管(FeFET)为基本单元的铁电存储器,受到人们的广泛关注。薄膜晶体管(TFT)型FeFET,由于其制备工艺简单、容易大面积集成、铁电薄膜与沟道层的界面特性较好,并可以实现全外延、全透明以及柔性器件结构,引起了人们的极大研究兴趣。本文一方面开展了铁电ZnO TFT的制备与表征的实验研究,另一方面开展了铁电ZnO TFT性能的理论模拟研究,同时探讨了铁电薄膜和ZnO薄膜之间的极化耦合对TFT电学性能的影响。主要的研究工作与结果如下:1. ZnO TFT的制备与表征首先采用脉冲激光沉积(PLD)方法在SiO2/Si (100)衬底上制备了ZnO薄膜;在此基础上,结合微电子工艺,制备了ZnO TFT;并对ZnO薄膜的微观结构和ZnO TFT的输出特性曲线进行了表征。结果表明:所制备的ZnO薄膜表面较平整光滑、结晶性能好;所制备的ZnO TFT显示出典型的n沟道晶体管特性,当源漏极电压为8V时其输出电流达到饱和。2. ZnO/BNT铁电TFT的制备与表征以(Bi,Nd)4Ti3O12(BNT)为绝缘层材料,采用PLD方法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了ZnO/BNT铁电TFT;并对所制备的TFT的电滞回线(P-V)、输出特性、转移特性和保持性能进行了测试分析。结果表明:ZnO/BNT铁电TFT的P-V曲线表现出明显的不对称展宽,这说明ZnO的极性对BNT薄膜的极化有一定的影响;所制备的ZnO/BNT TFT显示出较好的输出特性和转移特性,其阈值电压、沟道迁移率、存储窗口和开关电流比分别达到了1.3V、3.5cm2/Vs、3.9V和8×107;经24h保持时间后,开关电流比依然保持在107,说明所制备的ZnO/BNT铁电TFT的具有良好的保持特性,这主要归功于ZnO薄膜和BNT薄膜的极化耦合作用。3. PZT/ZnO铁电晶体管电学特性的理论模拟考虑ZnO的固有极性,基于Miller极化模型和MOS的半导体输运理论,采用Matlab软件,模拟了PZT/ZnO晶体管(MFZFET)和PZT/Si晶体管(MFSFET)的电容-电压曲线、输出特性曲线和保持性能,研究了ZnO的固有极性和铁电薄膜的极化强度对MFZFET存储窗口的影响。结果表明:相比MFSFET,MFZFET具有更宽的存储窗口、更好的保持特性和更大的开态电流,MFZFET开态电流约为MFSFET开态电流的10倍,这些特性的提高主要来源于ZnO的固有极性的影响。