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La2O3漏电流机制及能带研究

La2O3漏电流机制及能带研究

作者：王军超上海电力学院

学位级别：硕士

近年来,随着半导体器件的特征尺寸的不断缩小,传统的SiO2栅介质材料已接近它本身的极限,为了减小器件的漏电流并维持其电容,传统的SiO2栅介质被具有高介电常数(高k)的栅介质取代。稀土金属氧化物由于其高的介电常数、宽的带隙以及与Si... 详细信息

近年来,随着半导体器件的特征尺寸的不断缩小,传统的SiO2栅介质材料已接近它本身的极限,为了减小器件的漏电流并维持其电容,传统的SiO2栅介质被具有高介电常数(高k)的栅介质取代。稀土金属氧化物由于其高的介电常数、宽的带隙以及与Si衬底之间良好的而热稳定性等优势,成为CMOS器件第二代栅介质材料的候选材料,如Er2O3,Tm2O3,Y2O3等。特别是La2O3,因其具有高的k(0)值和低的缺陷密度被关注。虽然La2O3的带隙宽度已被一些研究组报道过,但是,非晶La2O3薄膜相对于Si的能带偏移研究还鲜有报道,而高k材料能带偏移值的大小、对称性是决定其是否是有前途的栅介质材料的重要因素。本文主要研究了磁控溅射在Si衬底上生长的非晶La2O3薄膜的漏电流机制以及能带问题。此外,还有关于拉曼光谱方法应用的探讨。利用超高真空磁控溅射设备在Si衬底上制备La2O3薄膜。X射线衍射结果证明其结构是非晶的。AES测试显示其是符合La2O3的化学计量比。AFM结果给出了La2O3薄膜表明形貌特征。通过室温下和液氮条件下基于MOS结构的I-V特性测试,研究了La2O3高k栅介质的漏电流输运机制和“金属/La2O3/Si”结构的势垒高度。在分别加正负偏压的情况下,薄膜的主要漏电流机制分别为Schotty发射和F-P发射;得出了La2O3/Si,Pt/La2O3和Al/La2O3结构的势垒高度分别为1.78±0.1 eV,2.85 eV±0.1 eV和1.7 eV±0.1 eV;电子的有效质量为0.2m0。应用紫外可见分光光度计和X射线光电子能谱分别研究了非晶La2O3薄膜的禁带宽度,获得La2O3的禁带宽度分别为5.2±0.1 eV。光学方法验证了XPS方法测出的禁带宽度是准确的。通过XPS计算能带偏移方法,我们获得了La2O3/Si异质结构的价带偏移和导带偏移分别是-2.43±0.1 eV和1.66±0.1 eV。这一系列结论说明,La2O3相对于Si有较大的能带偏移,从能带的角度来看,La2O3作为高k材料是很有前途和应用前景的。最后,我们又利用拉曼光谱的方法研究了磁控溅射制备的90nm的Er2O3薄膜,并得出了一些结论,证明这种方法可以应用在稀土氧化物微结构的研究上。

关键词：高k栅氧化物磁控溅射非晶La2O3薄膜漏电流机制能带拉曼光谱

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SrHfON高k栅介质薄膜的漏电特性研究

真空科学与技术学报 2013年第8期33卷 778-782页

作者：王雪梅刘正堂冯丽萍西北工业大学凝固技术国家重点实验室西安710072

采用射频反应磁控溅射法在p-Si(100)衬底上成功制备出SrHfON高k栅介质薄膜,并研究了Au/SrHfON/Si MOS电容的漏电流机制及应力感应漏电流(SILC)效应。结果表明,MOS电容的漏电流密度随N2流量的增加而减小。在正栅压下,漏电流主要由Schottk... 详细信息

采用射频反应磁控溅射法在p-Si(100)衬底上成功制备出SrHfON高k栅介质薄膜,并研究了Au/SrHfON/Si MOS电容的漏电流机制及应力感应漏电流(SILC)效应。结果表明,MOS电容的漏电流密度随N2流量的增加而减小。在正栅压下,漏电流主要由Schottky发射机制引起;在负栅压下,漏电流机制在低、中、高栅电场区时分别为Schottky发射、F-P发射和F-N隧穿机制。同时,Au/SrHfON/SiMOS电容表现出明显的SILC效应,经恒压应力后薄膜在正栅压下的漏电流由Schottky发射和F-P发射机制共同作用,且后者占主导地位。

关键词：高k栅介质 SrHfON 漏电流机制应力感应漏电流

双钙钛矿Bi2NiMnO6多铁薄膜的制备与性能研究

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双钙钛矿Bi2NiMnO6多铁薄膜的制备与性能研究

作者：赖菊兰广东工业大学

学位级别：硕士

Bi2NiMnO6（BNMO）是标准的双钙钛矿结构的氧化物,它是一种可以同时具有铁电性和铁磁性的多功能材料。在BNMO薄膜中科学家发现了很强的磁电耦合效应。本文采用简单的化学溶液沉积法在Pt（111）/Ti/SiO2/Si（100）衬底上制备双钙钛矿BNM... 详细信息

Bi2NiMnO6（BNMO）是标准的双钙钛矿结构的氧化物,它是一种可以同时具有铁电性和铁磁性的多功能材料。在BNMO薄膜中科学家发现了很强的磁电耦合效应。本文采用简单的化学溶液沉积法在Pt（111）/Ti/SiO2/Si（100）衬底上制备双钙钛矿BNMO薄膜、Bi2NiMnO6/La2NiMnO6（BNMO/LNMO）双层异质结构薄膜Bi2NiMnO6/LaNiO3（BNMO/LNO）薄膜,也利用磁控溅射法沉积SrTiO3（STO）缓冲层改良BNMO薄膜的性能。研究薄膜相结构,表面和断面形貌,铁电性能,铁磁性能和漏电流机制。在Pt衬底上制备了双层BNMO/LNMO薄膜。XRD结果表明薄膜为菱形结构,其空间点群为R3空间群。从薄膜的表面及横截面的SEM显微照片,可以明显地计算出平均品粒尺寸为5-10nm,薄膜的厚度约100nm。在室温下测得了铁电电滞回线,得到薄膜饱和极化强度约5.6μC/cm2。漏电流密度曲线分析表明,欧姆机制,空间电荷限制电流和陷阱填充限制机制在不同的应用电场下发挥了主导作用。采用磁控溅射法制备STO缓冲层薄膜,再利用化学溶液沉积法制备BNMO薄膜。原子力显微镜图像表明,BNMO/STO薄膜的均方根粗糙度（RMS）为33.4nm。BNMO薄膜和BNMO/STO薄膜的剩余极化值分别为6.42μC/cm2和8.24μC/cm2,矫顽场分别为100kV/cm和36kV/cm。STO缓冲层有效地提高了BNMO薄膜剩余极化和降低了BNMO薄膜的矫顽电场。在Pt衬底上制备了以LNO为缓冲层的BNMO薄膜。测试了薄膜的铁电性能和漏电流,我们得到了均匀对称的铁电电滞回线,饱和极化强度为1.59μC/cm2,剩余极化强度为0.34μC/cm2,矫顽电场为0.63kV/cm,虽然LNO缓冲层没有提高BNMO薄膜的极化强度,但是很好地改善了电滞回线形状。漏电流密度曲线表明BNMO/LNO薄膜表现出了负微分电阻现象。另外我们还采用共沉淀法制备BNMO粉末,首先在350℃-750℃隔50℃预烧一组BNMO粉末,XRD结果表明BNMO结晶温度为550℃,最佳结晶温度为700℃。然后将不同温度预烧的BNMO粉末制成陶瓷片在N2气氛中900℃烧结。BNMO陶瓷的复阻抗图表明陶瓷的导电机制由晶粒电阻和晶界电阻共同作用,且材料的不均匀性导致了复阻抗谱的双弧现象。

关键词：双钙钛矿薄膜 Bi2NiMnO6 铁电性能漏电流机制陶瓷阻抗

退火温度对BNTF薄膜结构和性能影响的研究

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退火温度对BNTF薄膜结构和性能影响的研究

作者：裴煜南京航空航天大学

学位级别：硕士

在一定范围的温度内,多铁性材料中同时存在铁电性(反铁电性)、铁磁性(反铁磁性)等多种铁性,磁和电有序之间存在耦合作用,可以实现电、磁之间的相互调控,为新器件设计提供了新的可能性。近年来,越来越多的科学家对多铁性材料中包含的物... 详细信息

在一定范围的温度内,多铁性材料中同时存在铁电性(反铁电性)、铁磁性(反铁磁性)等多种铁性,磁和电有序之间存在耦合作用,可以实现电、磁之间的相互调控,为新器件设计提供了新的可能性。近年来,越来越多的科学家对多铁性材料中包含的物理原理产生了浓厚的兴趣,并专注于这方面的研究。在相对较高的温度下,已经发现了Bi Mn O3和Bi Fe O3的铁电有序和磁有序共存。其中的Bi Fe O3具有反铁磁性(尼尔温度70℃)和铁电性(居里温度10℃)。但是由于铁离子的化合价变化和氧的化学计量比问题导致了Bi Fe O3材料具有一些缺陷,比如疲劳特性明显、漏电流大、磁电耦合效应不明显等。为了提升多铁性完善材料的性质,人们研究出了单相铋基类钙钛矿材料,比如Bi5Ti3Fe O15。这是将Bi Fe O3合成进Bi4Ti3O12形成了两个(Bi2O2)2+层分别夹在中间的四层钙钛矿结构。其中(Bi2O2)2+层在减少空间电荷方面起到了重要的作用。但是多晶Bi4Ti3O12和Bi5Ti3Fe O15材料仍然存在剩余极化强度小、抗疲劳特性差等缺点。最近的一些报道显示La或者Nd掺杂取代Bi4Ti3O12材料可以提升样品的抗疲劳特性、增大剩余极化强度,但是掺杂Nd仍然不能提升Bi Fe O3的多铁性和电输运性能。值得注意的是,研究显示Bi3.15Nd0.85Ti3O12具有高极化强度而且没有疲劳现象。本论文中我们为了研究退火温度对Bi4.15Nd0.85Ti3FeO15(BNTF)薄膜的影响,使用MOD法在(111)Pt/Ti/Si O2/Si基片上制备了由Bi Fe O3和Bi3.15Nd0.85Ti3O12共生的薄膜,分别在700℃、750℃、780℃时退火,形成了四层的铋基类钙钛矿结构。详细研究了退火温度对薄膜结构、表面形貌、表面电响应、电滞回线、漏电流、疲劳特性、热释电系数、电输运和常温下磁性,主要结论如下:1.制备样品的退火温度为700℃80℃时,温度升高宏观上提高了样品的剩余极化强度改良了样品的铁电性能,漏电流在700℃50℃是随温度上升的,但是我们发现780BNTF的漏电流密度小于750BNTF;微观上,样品的表面粗糙度、颗粒尺寸、表面电响应增大,从而铁电性能得到增强。其中,780℃退火的BNTF薄膜,样品的生长方向发生了一些改变形成与其它两个样品不同的织构,而这种织构有助于提升薄膜的铁电性能,降低薄膜的漏电流密度。***薄膜仍然存在疲劳现象,但是抗疲劳特性相比一般的铋基类钙钛矿材料已经有所提升,疲劳损耗在10%以内。在室温到200℃温度范围内,700BNTF和750BNTF的热释电系数变化很小而780BNTF的热释电系数变化很大。***薄膜室温下没有宏观铁磁性。从10K到室温,BNTF薄膜的电导率随温度升高而线性下降,呈现金属特性。

关键词：多铁性退火温度漏电流机制疲劳特性热释电效应

Hf0.5Zr0.5O2铁电薄膜的制备和性能研究

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Hf0.5Zr0.5O2铁电薄膜的制备和性能研究

作者：李晨雨电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,铁电薄膜成为了高新技术研究的热点之一。铁电薄膜在各个领域都有着广泛的应用。根据铁电薄膜的不同特性,例如:铁电性、压电性、热释电性等,制备了多种器件。目前对于铁电薄膜的研究还集中在传统的钙钛矿结构材料上,例如PZT、BS... 详细信息

近年来,铁电薄膜成为了高新技术研究的热点之一。铁电薄膜在各个领域都有着广泛的应用。根据铁电薄膜的不同特性,例如:铁电性、压电性、热释电性等,制备了多种器件。目前对于铁电薄膜的研究还集中在传统的钙钛矿结构材料上,例如PZT、BST等。然而传统钙钛矿结构的铁电薄膜在应用于硅基铁电存储器上,已经被证明有着很多困难。比如说铁电尺寸效应、结晶时热处理导致的退化、小的帯隙、与Si的界面不匹配等。最近研究发现Hf0.5Zr0.5O2在一定制备条件下出现了铁电性。而HfO2、ZrO2作为代替SiO2的栅介质材料,它的介电性能无疑可以满足铁电薄膜的要求。凭借与Si基结合的成熟工艺,器件的可靠性和稳定性能够得到保障。而更小的厚度限制使器件的微小化、三维化成为了可能。因此本文以新型铁电薄膜Hf0.5Zr0.5O2薄膜为研究对象。采用脉冲激光沉积法,在Pt(111)/Si(001)基片上制备了Hf0.5Zr0.5O2薄膜。并且对薄膜的生长工艺以及热处理工艺进行了系统的实验与分析。同时对Hf0.5Zr0.5O2薄膜的电性能进行了测试和分析。主要工作及结论如下:1.通过脉冲激光沉积制备Hf0.5Zr0.5O2铁电薄膜,XRD测试表明在38.5°存在正交相的(102)衍射峰,这种非中心对称的结构导致了薄膜出现铁电性。2.对Hf0.5Zr0.5O2铁电薄膜进行了生长工艺的探索,结果表明提高薄膜生长时的氧分压有助于提高成膜质量,20Pa为最佳氧分压。薄膜厚度从60nm增至140nm时,在5V下漏电流密度由2.3×10-3A/cm2降至4.1×10-5A/cm2。衬底温度400℃时制备的Hf0.5Zr0.5O2薄膜结晶性能最好,且铁电性能最好。激光能量140mJ下制备的薄膜的表面平整度更高,且结晶的质量更好。氮气中退火,薄膜的漏电流较大,5V时达到2.6×10-4A/cm2。氧气退火有助于减小漏电流密度。在5V下氧气中退火薄膜漏电流密度为7.3×10-6A/cm2。因此得到通过脉冲激光沉积在铂硅上制备Hf0.5Zr0.5O2薄膜的最佳生长工艺是:氧分压20Pa、厚度140nm、衬底温度400℃、激光能量140mJ,并在500℃下氧气中原位退火。3.对薄膜进行了漏电流机制的分析,结果表明氮气中退火制备的薄膜由Pool-Frenkel(PF)机制和肖特基发射机制共同作用。氧气中退火制备的薄膜主要由肖特基发射机制作用。对薄膜进行P-E测试,结果表明Hf、Zr组分比1:1时薄膜铁电性能最好。薄膜剩余极化强度随退火温度的升高,先增大后减小。随着测试电压增大,薄膜剩余极化强度和矫顽场均增大,漏电流也增大。在10V左右达到饱和,2Pr达到8.58μC/cm2。C-V测试表明薄膜相对介电常数在27到29左右,且随着退火温度升高,薄膜的介电常数和损耗均增大。抗疲劳测试表明,在经过2×109次反转之后,Hf0.5Zr0.5O2薄膜的可参与反转的总极化值下降了24.6%。

关键词： Hf0.5Zr0.5O2薄膜铁电脉冲激光沉积漏电流机制

离子感应场效应型传感器及其相关材料技术研究

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离子感应场效应型传感器及其相关材料技术研究

作者：吴肖电子科技大学

学位级别：硕士

离子敏感场效应晶体管(Ion-Sensitive Field Eeffct Transistor,ISFET)作为一种可用于检测生物化学信号的敏感元件,由其构成的生化传感器具有体积小、制造成本低、特异性强、易于集成、无破坏性和可持久测量等优点,可广泛应用于食品安... 详细信息

离子敏感场效应晶体管(Ion-Sensitive Field Eeffct Transistor,ISFET)作为一种可用于检测生物化学信号的敏感元件,由其构成的生化传感器具有体积小、制造成本低、特异性强、易于集成、无破坏性和可持久测量等优点,可广泛应用于食品安全、生物医学、环境监测、军事航天、农业机械、工业控制以及司法鉴定等多个领域。本论文主要基于ISFET在pH值检测中的应用特性,对引入铁电材料层的ISFET器件进行了仿真研究,并以铁酸铋(BiFeO3,BFO)为主要研究对象对铁电材料进行了相关的优化技术研究。首先,论文基于应用于pH检测的ISFET的基本原理和理论模型,研究了电解液-绝缘体-半导体系统的仿真模型,将ISFET器件的电化学行为部分与晶体管器件部分相分离,提出了一种数值计算与仿真软件相结合的器件宏观行为的仿真方法,从而实现了ISFET器件在Silvaco仿真软件中的模拟仿真。其次,基于突破应用于pH检测的ISFET能斯特上限的设计需求,本文采用了双栅薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFT)结构,并且引入了具有电滞回线特性及较高介电常数的铁电材料作为ISFET器件的栅介质层,选用具有更高电子迁移率的非晶铟镓锌氧化物(amorphous Indium-Gallium-Zinc Oxide,a-IGZO)材料作为半导体层,从而设计并获得了对pH值具有较高检测灵敏度的ISFET,简称为Fe ISFET。为了更好的研究铁电材料在FeISFET中的作用,在本文中分别设置了具有不同矫顽电场、不同极化强度值和不同介电常数的铁电样品,并将其应用于所设计的FeISFET中。仿真结果显示,拥有较小矫顽电场、较大极化强度值及较大介电常数的铁电材料的引入将更易获得较高检测灵敏度的Fe ISFET。最后,本文以BFO材料作为研究对象,在应用于FeISFET器件的BFO薄膜的优化技术方法研究基础上,确保在不降低材料介电常数的情况下,获得具有较小矫顽电场和较大极化强度值的铁电薄膜,并完成了对引入锆钛酸铅(PZT)种子层的BFO薄膜的漏电流特性和机理的具体分析。此外,通过仿真发现,引入在PZT种子层上制造的镧掺杂的BFO薄膜可获得灵敏度达到755mV/pH的Fe ISFET。针对Fe ISFET器件关键材料BFO薄膜机理与性能的优化研究,对于该器件整体性能优化有着重要意义。

关键词： ISFET a-IGZO 铁电薄膜极化强度漏电流机制

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取向对铁酸铋薄膜漏电机制和光伏性能的影响

纳米技术 2022年第2期12卷 41-48页

作者：于笑妍魏一李昊阳张萌李奕瑄高洁张宪贵宋建民曾浩宇河北农业大学理学院河北保定河北工程大学医学院河北邯郸

本文通过偏轴磁控溅射法,以不同取向钛酸锶SrTiO3 (STO)单晶基片为衬底,镧锶钴氧La0.5Sr0.5CoO3 (LSCO)为底电极,铁酸铋BiFeO3 (BFO)为铁电介质,构架了Pt/BFO/LSCO/STO异质结电容器。XRD结果显示不同取向的BFO薄膜均为外延结构。研究了... 详细信息

本文通过偏轴磁控溅射法,以不同取向钛酸锶SrTiO3 (STO)单晶基片为衬底,镧锶钴氧La0.5Sr0.5CoO3 (LSCO)为底电极,铁酸铋BiFeO3 (BFO)为铁电介质,构架了Pt/BFO/LSCO/STO异质结电容器。XRD结果显示不同取向的BFO薄膜均为外延结构。研究了不同取向Pt/BFO/LSCO异质结的漏电机制和光伏性能。J-V数据拟合表明,Pt/BFO/LSCO漏电流大小依赖于BFO薄膜取向,满足(001)J >(110)J >(111)J规律。不同取向Pt/BFO/LSCO异质结的导电机制均为:低电场欧姆导电和高电场肖特基导电。通过铁电光伏系统对Pt/BFO/LSCO异质结的光伏性能进行了测量,结果表明开路电压VOC和短路电流JSC强烈依赖于BFO薄膜取向,(111)取向最大、(110)取向次之、(001)取向最小。

关键词：铁酸铋异质结偏轴磁控溅射法漏电流机制铁电光伏效应