镨/铈掺杂氧化铪铁电薄膜的溶液法制备及性能研究

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铁电场效应晶体管(FeFET)凭借着非易失、非破坏性读取、高密度集成等优点而成为最有潜力的非易失性随机存储器之一。氧化铪(HfO2)基铁电薄膜材料是一种新型的铁电薄膜材料,它可以与先进的CMOS工艺兼容,而且在膜厚减小至3 nm以下时它依然具有良好的铁电性,这些优点使得HfO2基铁电薄膜非常适和应用在FeFET中。掺杂可以明显提高HfO2基铁电薄膜的铁电性。而化学溶液法(CSD)是一种易于实现掺杂的制备方法,并具有操作简单、经济有效的优点。本文以掺杂的HfO2铁电薄膜为研究对象,选择镨(Pr)、铈(Ce)两种元素作为掺杂元素,使用了CSD法来制备薄膜。主要工作包括:(1)在(111)Pt/Ti/SiO2/(100)Si衬底上制备出了不同Pr掺杂量的氧化铪(Pr:HfO2)薄膜。通过微结构的表征确认了薄膜中铁电正交相的存在,表明Pr的掺入可以在HfO2薄膜中诱导铁电正交相的形成。对样品进行P-E(极化-电场)回线测试,结果表明薄膜在Pr掺杂量为5 mol%时有明显的铁电性,其最大剩余极化(Pr)值为6.9μC/cm2,矫顽电场(Ec)为1.2 MV/cm。C-V(电容-电压)曲线测试表明薄膜在Pr掺杂量为5 mol%时曲线呈现出明显的蝴蝶曲线形状,进一步确认了此样品中的铁电性。在掺杂量为5 mol%的Pr:HfO2铁电薄膜的抗疲劳性测试中,样品在经过108次外加电场循环后,其极化强度与初始值相比下降了30%左右。漏电流的测试表明,纯HfO2薄膜的漏电流数值最小。(2)在N型重掺杂Si衬底上制备出了不同Ce掺杂量的氧化铪(Ce:HfO2)薄膜,并对薄膜的表面形貌特征、物相结构以及电学性能进行表征。结果表明所制备的Ce:HfO2薄膜具有较为平整的表面,它们的表面粗糙度均方根(RRMS)均在1 nm以下,且薄膜的起伏较小。我们还结合多种表征方法确定了薄膜中铁电正交相的存在。电滞回线测试结果表明,薄膜在Ce掺杂量为10 mol%时开始显现出铁电性。在Ce含量为15 mol%时具有最大的Pr值,其大小为16μC/cm2,2Ec为2 MV/cm。对薄膜进行压电性能测试,结果表明掺杂量为10 mol%、15 mol%的Ce:HfO2铁电薄膜的振幅-电压曲线均为蝶形曲线。相位-电压曲线表明前者的相位可实现160o翻转,后者则可以实现180o的相位翻转。
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