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Au/PZT/BIT/p-Si结构铁电存储二极管的可靠性

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中国科学（E辑） 2001年第3期31卷 223-227页

作者：王华于军董晓敏周文利王耘波颜冲周东祥华中科技大学电子科学与技术系

采用脉冲激光沉积 (PLD)工艺制备了Au/PZT/BIT/p Si结构铁电存储二极管 .对该二极管的I V特性、电容保持特性、疲劳 (fatigue)特性和印迹 (imprint)特性进行了研究 .结果表明 :该铁电二极管的I V特性表现出明显的单向导电性 ,表现出类似... 详细信息

采用脉冲激光沉积 (PLD)工艺制备了Au/PZT/BIT/p Si结构铁电存储二极管 .对该二极管的I V特性、电容保持特性、疲劳 (fatigue)特性和印迹 (imprint)特性进行了研究 .结果表明 :该铁电二极管的I V特性表现出明显的单向导电性 ,表现出类似于Schottky二极管的特性 ,电流密度在 + 4V电压下为 6 .7× 1 0 -8A/cm2 ,而在- 4V电压下仅 - 5 .3× 1 0 -10 A/cm2 ,5 0℃以下该特性得以良好保持 ;撤除所施加的5V偏压后 ,经 1 0h观察 ,电容仅变化 5 % ,二极管具有较好的电容保持特性 ;在1 0 0kHz ,5V双极方波加速疲劳下 ,1 0 7次开关极化以后铁电薄膜系统几乎没有显示任何疲劳 ,经 1 0 9次极化循环 ,剩余极化Pr 仅下降 1 0 % ,矫顽电场Ec 增加 1 2 % ;2 0 0W紫外灯光辐照 2 0min后 ,尽管剩余极化和矫顽电场均有所变化 ,并产生了电压漂移 (voltageshift) ,但印迹优值因子FOM约 0 .2 。

关键词：铁电存储器铁电二极管 I-V特性疲劳特性印迹特性可靠性

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铁电阴极几何参数对二极管电子发射的影响

科技通讯（上海） 2004年第1期10卷 75-78页

作者：向飞常安碧张永辉闫二艳安海诗中国工程物理研究院应用电子研究所四川绵阳621900

主要讨论了触发电场的脉宽和阴极几何参数对铁电二极管电子发射的影响,通过对不同脉宽激励下的电子发射试验发现触发脉冲的最佳工作宽度范围是150-250ns。对不同几何参数铁电阴极片在正脉冲激励下的电子发射研究指出:一般实验条件下(触... 详细信息

主要讨论了触发电场的脉宽和阴极几何参数对铁电二极管电子发射的影响,通过对不同脉宽激励下的电子发射试验发现触发脉冲的最佳工作宽度范围是150-250ns。对不同几何参数铁电阴极片在正脉冲激励下的电子发射研究指出:一般实验条件下(触发电压小于4kV/mm),触发梯度电场相同时,阴极越厚,条栅电极越细密,发射电流密度越大;极化反转发射中前沿发射方式和后沿发射方式可以共时存在。

关键词：铁电阴极几何参数条栅电极极化反转触发电场铁电二极管

Ⅲ-Ⅵ族二维半导体的挠曲电效应与铁电器件应用研究

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Ⅲ-Ⅵ族二维半导体的挠曲电效应与铁电器件应用研究

作者：刘绪佳广州大学

学位级别：硕士

近年来,随着微机电系统(MEMS)和纳米电子学的不断发展,对小型化、高性能的机电耦合器件的需求变得越来越紧迫。具有广泛电子特性的二维半导体材料的出现为设计和配置下一代电子产品提供了极好的机会。其中一个新兴类别是Ⅲ-Ⅵ族单硫族... 详细信息

近年来,随着微机电系统(MEMS)和纳米电子学的不断发展,对小型化、高性能的机电耦合器件的需求变得越来越紧迫。具有广泛电子特性的二维半导体材料的出现为设计和配置下一代电子产品提供了极好的机会。其中一个新兴类别是Ⅲ-Ⅵ族单硫族化合物MX(M=Ga、In;X=S、Se、Te),二维MX半导体由于其独特的能带结构、有趣的光学和电学特性,最近吸引了广泛的研究,其中两个主要成员是硒化铟(InSe)和硒化镓(Ga Se)。与过渡金属二硫化物(Transition metal dichalcogenides,TMDs)相比,二维MX材料在光电子学、压电电子学、柔性电子学和传感器等领域显示出令人兴奋的应用前景,引起了研究人员广泛的研究。低维挠曲电效应作用显著,作为压电效应的增强与补充,可极大地提高二维压电半导体的压-电多场耦合能力,并丰富压电电子学的研究。聚焦于上述问题,本论文以原子级厚度的InSe和Ga Se为主要研究对象,探究了二维层状半导体的挠曲电效应和具有不对称电极的铁电器件的应用,具体研究结果如下:(一)通过纳米压痕仪图形化基底与干法转移制备了悬空结构的InSe和Ga Se,并分别对其进行了结构表征和挠曲电效应的研究。在弯曲的少层InSe和少层Ga Se悬空材料中获得了显著的有效平面外压电性能。与理论计算的压电系数相比,本论文成功在薄层Ga Se中测得了与压电活性材料InSe接近的具有应用潜力的有效面外压电响应系数。本文巧妙利用纳米压痕仪力学测量时的残余压痕进行图形化基底。电子束光刻虽然具有精度高和无需定制掩模版的优点,但是电子束光刻和干法刻蚀所用到的设备昂贵且图形化基底花费的成本高昂,故本文采用一种较为简便、成本低廉的方法图形化衬底。通过半径5μm左右的球形金刚石高载荷压头在Si O/Si基底上压出大约300 nm深的洞。并且为了改善基底表面与二维材料的粘附性、改善图形化后的平整性,采用磁控溅射法溅射30 nm的金膜到目标基底上。再使用机械剥离法制备出InSe和Ga Se薄层并将其覆盖在洞上方,并表征出悬空结构薄膜的形貌。镀金能够提高单硫族化合物与基底的结合力,既改善了平整度又实现了较高的成功率。本文结合悬空结构和压电响应力显微镜技术,实现了在原子级厚度InSe和Ga Se薄膜中引稳定可控的较大的局域应变,并通过Raman mapping测出了弯曲薄膜中的双轴应变分布。(二)基于γ-InSe的非对称电极铁电二极管。验证了γ-InSe的室温铁电性,制备了FLG/γ-InSe铁电二极管并使用探针台和半导体分析仪对其进行了电学性能测试,并研究了其原理。本工作基于已有的理论预言和PFM实验结果,验证γ-InSe的室温铁电性,并成功地实现了纳米级铁电畴结构的人工写入。为了探究二维γ-InSe纳米片在面外方向的铁电性应用于器件中的潜力,我们构建了一个基于γ-InSe的非对称电极铁电二极管。通过选择金属Ti/Au-石墨烯作为非对称电极,成功使得该器件的性能受γ-InSe铁电层极化状态来控制,在±7V的电压下具有明显的回滞行为,并且其开/关比可达到10量级。此外,该器件经过多次反复测试,表现出良好的重复性和耐疲劳能力。为提升二维铁电器件性能提供了一条新的道路。

关键词：二维材料 Ⅲ-Ⅵ族单硫族化合物挠曲电效应铁电二极管

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基于二维CuCrP2S6的阻变效应研究

基于二维CuCrP2S6的阻变效应研究

作者：朱汉鹏南京邮电大学

学位级别：硕士

忆阻器作为除电容、电阻和电感外的第四种基本电路元件,它具有高的存储密度、快的切换速度、低功耗等特点,已成为当今学术界的一个研究热点。忆阻器有很多种类,其中铁电忆阻器和细丝型忆阻器被广泛研究。铁电忆阻器具有高集成度和低功... 详细信息

忆阻器作为除电容、电阻和电感外的第四种基本电路元件,它具有高的存储密度、快的切换速度、低功耗等特点,已成为当今学术界的一个研究热点。忆阻器有很多种类,其中铁电忆阻器和细丝型忆阻器被广泛研究。铁电忆阻器具有高集成度和低功耗的优势,细丝型忆阻器也在读写速度和存储密度方面表现出大的潜力。由于存在悬空键和量子隧穿产生地漏电流,基于三维材料的忆阻器在微型化的过程中面临着巨大的挑战。二维材料超薄的原子结构很好地解决了这些问题。CuCrPS是一种新型二维层状铁电半导体材料,它可以在被剥离成少层的状态下,仍保持其原有的性质(如铁电性)。因此,本论文主要致力于CuCrPS在铁电忆阻器和细丝型忆阻器方面的研究,内容如下:(1)基于CuCrPS材料的制备和表征。采用化学气相输运法成功制备高质量的单晶CuCrPS,利用X射线衍射法及能量色散光谱确定单晶的物相、结晶质量以及组成元素。通过机械剥离的方法获得薄层CuCrPS,研究了其厚度依赖的拉曼光谱。压电力显微镜验证了少层CuCrPS的室温面外铁电性。(2)基于器件Au/CuCrPS/Au的铁电二极管研究。我们制备出了CuCrPS垂直结构铁电器件,器件表现出了二极管的整流特性,并且整流方向可以通过改变极化方向来改变。器件的整流方向以及忆阻效应的出现归因于铁电极化的翻转对界面肖特基势垒的调控。我们还对该器件进行了人工突触领域应用的探索。(3)基于器件Ag/CuCrPS/Au的阻变特性研究。我们已经实现用铁电翻转来调控界面处的肖特基势垒,并初步实现了忆阻器功能(开关比为10)。为了提高作为忆阻器的开关比性能,我们对器件进行改良:根据化学离子迁移模型把顶电极更换成活性金属Ag。该器件表现出优异的非易失阻变性能,开关比高达10,与上个器件相比提高了5个数量级。此外,此器件还有优良的保持特性(10s)。我们制备了一组对比实验,排除了材料本身对阻变性能影响的可能性。这为实现高存储密度非易失性忆阻器提供了更广阔的视野。

关键词：二维铁电材料 CuCrP2S6 铁电二极管忆阻器阻变机制

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HfO2基铁电薄膜的制备与电性能研究

HfO2基铁电薄膜的制备与电性能研究

作者：刘潮锋广东工业大学

学位级别：硕士

随着信息时代的发展和高新科技的更新换代,微电子领域俨然走在时代的前沿迅速发展。传统的器件尺寸已经满足不了人们对更小电子设备的追求,因此需要更小尺寸的电子设备也就需要更小的微电子器件。然而传统的MOSFET器件主要栅介质层为Si... 详细信息

随着信息时代的发展和高新科技的更新换代,微电子领域俨然走在时代的前沿迅速发展。传统的器件尺寸已经满足不了人们对更小电子设备的追求,因此需要更小尺寸的电子设备也就需要更小的微电子器件。然而传统的MOSFET器件主要栅介质层为Si O,当需求更小尺寸的MOS器件时,介电常数相对较小的Si O层会导致电子的的直接隧穿效应,即栅极需要承受更大的电场,从而引起漏电流增大和可靠性下降等严峻的问题,间接阻碍了微电子技术的快速发展。同时,光电器件也是研究热点,现在追求易于制备、性能更优、损伤阈值更大的光电二极管。另一方面,阻变随机存储器因为擦写更快,耐久性能更好而成为最热门研究的存储器,可是对其存储机制依然存有很多异议,国内甚至教科书还么有出现忆阻器,并没有重视忆阻器在未来的发展。在存储器领域中,铁电存储器比闪存更快,有望成为替代可擦除只读存储器和静态随机存取存储器铁电薄膜。鉴于以上情形,本文深入研究了高介电常数氧化物Hf O,以代替Si O引起的尺寸效应,另外也发现了Hf O基MOS器件还具备光电二极管性能。首先,我们首次对Au/Hf O/p-Si/Au(MOSM)结构进行了系统的研究。采用磁控溅射法将Hf O镀在干净的p-Si上,再在上下镀上金电极并在氧气氛围750℃下退火制备成光电二极管器件。XPS结果显示Hf O薄膜在紫外频段具有极好的穿透性,使其具有制备成光电二极管的条件。器件的电流电压特性展示出在紫外线强度从1.91 m W/cm增加到到23.5 m W/cm时,器件产生的光电流会越来越大。在8 V偏压下,紫外光强度达到23.5 m W/cm时,器件的光生电流最大值达到了42 m A,与现存应用的光电二极管相比,其产生的光电流可能要更加大。在强注入时,器件依然没有饱和趋势,侧面反映出极高的损伤阈值,另外无论弱注入还是强注入,该器件都具有驰豫特点。其次,进行了HfO基阻变随机存储器的制备和性能机制分析。采用的是最快捷的溶胶凝胶法,制备了Au/Hf O/Pt/Ti/Si O/Si和Au/Hf O/Pt/mica两种不同基底的器件。Au/Hf O/Pt/Ti/Si O/Si器件中Hf O薄膜层晶格氧/缺陷氧之比为0.32,而Au/Hf O/Pt/mica器件的则为0.25,而且两种器件的缺陷氧之比为0.82,导致了两个器件中高低阻态有所差距。对于前者,设置电压和重置电压分别为0.7 V和-0.5 V,而后者则为0.7 V和-0.7V,但是他们的设置电压斜率大概为0.3 V/10 V。Au/Hf O/Pt/Ti/Si O/Si器件的高低阻态比达到1000以上,并且随着循环次数增加,比例逐渐降低至100,然后趋于稳定,另一种器件高低阻态比则只有50,显然比前者的差。最后阶段则进行了HfZrO薄膜的制备和铁电性能探究。使用的制备方法也是溶胶凝胶法,Zr的量本文研究的是0.5和0.7。对于HfZrO薄膜,剩余极化强度为4μC/cm,而HfZrO薄膜的剩余极化强度则为2.8μC/cm,提高退火温度会增加剩余极化强度,同时,频率的改变也会影响电磁回线的宽窄。另外还对这两种薄膜电流电压特性进行了一定的探究和分析,HfZrO薄膜都具备阻变存储器的基本特征,然而却没有保持特性。在铁电二极管方面,我们发现HfZrO薄膜还具备单向极化特性,当施加正向极化时,薄膜会从几乎绝缘的状态转为导电极好的状态,导电状态还会随着极化电压的增加而更好。

关键词：高介电常数光电二极管高低阻态缺陷氧铁电二极管

钛酸钡与铌酸钠钾薄膜中极化诱导的阻变行为研究

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钛酸钡与铌酸钠钾薄膜中极化诱导的阻变行为研究

作者：欧欣南京大学

学位级别：硕士

铁电存储器,作为一种有望替代闪存的新型存储器,一直受到广泛关注和研究。在铁电存储器中,基于极化翻转的电阻转变效应,由于其没有引起化学变化,而且是一个极快的过程,成为一个热门的研究方向。铁电薄膜中的电阻转变效应,根据输运机制... 详细信息

铁电存储器,作为一种有望替代闪存的新型存储器,一直受到广泛关注和研究。在铁电存储器中,基于极化翻转的电阻转变效应,由于其没有引起化学变化,而且是一个极快的过程,成为一个热门的研究方向。铁电薄膜中的电阻转变效应,根据输运机制的不同,可以分为两类：一类是基于铁电超薄膜的隧穿电致阻变效应,另一类是基于铁电材料和电极材料之间势垒调控的铁电二极管。隧穿电致阻变效应通常出现在铁电隧道结中,依靠铁电超薄膜的极化翻转调节隧穿层势垒高度实现。而对于铁电二极管,在铁电材料与电极材料界面处形成肖特基势垒或p-n结,势垒的电势分布随极化翻转而改变。无论哪种输运机制,这些效应都是由于铁电材料的极化翻转所产生。研究不同的铁电材料,探究材料中畴的翻转,以及对它们电导行为的分析至关重要。本文基于这两种不同的输运机制,分别选用两种具有代表性的铁电材料BaTiO3和(K,Na)NbO3,研究了它们铁电畴的极化和翻转性质,及其对电导和输运性质的影响,得出的结果如下：1)采用脉冲激光沉积的方法制备了厚度为1.2 nm的铁电BaTiO3超薄膜,使用高分辨透射电子显微镜对薄膜截面微结构进行了观测,并通过原子力显微镜、压电力显微镜以及导电原子力显微镜分别对薄膜表面形貌、铁电畴的极化翻转以及隧穿电导行为做了一系列的研究。2)在利用导电原子力显微镜的探针、铁电BaTiO3超薄膜和下电极La0.67Sr0.33MnO3构成的铁电隧道结中观测到了隧穿电致阻变效应,电阻的开关比可以达到100以上。通过调节极化电压,可以控制极化区域内不同极化方向的铁电畴的比例。畴的极化方向不同引起电导能力的不同,从而实现多阻态,这些阻态在室温下具有保持能力,这些结果有助于铁电材料多态存储的研究。3)利用磁控溅射,在具有LaNi03缓冲层的Si衬底上生长了具有(001)方向择优取向的(K,Na)NbO3无铅压电薄膜,通过压电力显微镜的测量发现,(K,Na)NbO3薄膜的相位和振幅响应稳定性和重复性均较好,其铁电畴可以实现反复多次的翻转并保持。4)首次在Pt/(K,Na)Nb03/LaNi03器件中,通过控制(K,Na)Nb03薄膜的极化方向实现了电致电阻转变行为,而阻态的变化可以归结于铁电薄膜极化方向的不同对界面势垒高度和宽度的调制。而且该高低阻态能够保持长时间,具有良好的稳定性和优良的抗疲劳能力。这说明该器件有应用于非易失性存储器的潜力。

关键词：铁电薄膜极化翻转阻变行为铁电隧道结铁电二极管

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氧化物异质结中界面相变诱导的阻变特性研究

氧化物异质结中界面相变诱导的阻变特性研究

作者：谷婷哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着信息技术的快速发展,铁电存储器作为一种新型的非易失性存储器,具有功耗低、耐久性好、易于调控等优点,受到了广泛关注,但是铁电阻变存储器目前也面临一些问题,铁电材料漏电流太大,高低阻态之间差异太小导致存储界限不明显。因此,... 详细信息

随着信息技术的快速发展,铁电存储器作为一种新型的非易失性存储器,具有功耗低、耐久性好、易于调控等优点,受到了广泛关注,但是铁电阻变存储器目前也面临一些问题,铁电材料漏电流太大,高低阻态之间差异太小导致存储界限不明显。因此,本文期望通过利用铁电极化反转诱导LaSrMnO(LSMO)中的空穴在界面积聚和耗散的特性,从而触发LSMO在相位边界的穿越,使铁电阻变存储器的开关比更明显,提高铁电阻变器件的阻变性能。本文成功制备了高质量的LaSrMnO(x=0,0.15,0.2,0.3)薄膜。通过改变Pb(ZrTi)O(PZT)薄膜的生长温度,制备了致密、均匀的高质量PZT薄膜。研究了PZT薄膜厚度对Pt/PZT/LaSrMnO异质结的铁电性能和阻变性能的影响,当PZT薄膜厚度为72 nm时,异质结中的PZT薄膜漏电流密度低、铁电性能较好。本文制备了LaSrMnO薄膜和PZT/LaSrMnO薄膜,测试得到它们的金属绝缘相的转变温度分别为330 K和250 K,说明PZT的极化反转可以调控LSMO的相变。在此基础上,通过改变铁电异质结中的相变调控层LSMO,设计并制备了四种Pt/PZT/LaSrMnO(x=0,0.15,0.2,0.3)/LaSrMnO铁电异质结结构。研究了四个异质结的铁电性能,四个异质结的电滞回线为饱和状态,极化强度大致相同,说明四个异质结之间阻变性能的差异与铁电性无关。通过改变扫描电压的大小,测试了四个异质结的阻变性能,得到Pt/PZT/La0.8Sr0.2Mn O3/LaSrMnO铁电异质结的开关比最大,达到了7.2×104,并且该铁电异质结的阻变效应在正负电压下的差距最明显,这是因为该异质结中的相变调控层La0.8Sr0.2Mn O3处于铁磁金属态和铁磁绝缘态的临界点,PZT铁电层的铁电极化反转能够诱导La0.8Sr0.2Mn O3薄膜层中的空穴在界面积聚和耗散,触发La0.8Sr0.2Mn O3在相位临界点之间穿越;Pt/PZT/LaSrMnO铁电异质结的开关比为7×104;而Pt/PZT/La0.85Sr0.15Mn O3/LaSrMnO铁电异质结的开关比明显降低了,最大的开关比为4×104;Pt/PZT/La Mn O3/LaSrMnO铁电异质结的开关比最小,为7×103,这是因为La Mn O3(LMO)薄膜在室温下为反铁磁绝缘态。对四种异质结进行可靠性测试,四种异质结均具有优异的连续擦写操作能力和数据保持能力。

关键词：铁电二极管阻变相变铁电极化电场调控

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塑料二极管可制成廉价晶体管

现代材料动态 2009年第3期 9-9页

作者：杨英惠（摘译）

荷兰格罗宁根大学尖端材料研究所开发出一种可制造廉价存储器材料的工艺，可制成塑料铁电二极管。这种工艺与传统的将半导性薄膜生长于铁电材料之上的工艺不同，而是将两种材料混合在一起。

关键词：铁电二极管廉价塑料晶体管铁电材料薄膜生长工艺存储器