二氧化钒铁电场效应管的制备与性能研究

发布时间：2020-11-12 04:14

　　 半导体行业发展迅速,晶体管的特征尺寸遵循摩尔定律呈指数级降低,从微米量级到如今纳米量级,但进一步发展受到了其本身内在限制。由于二氧化钒(VO_2)的可逆相变特性,近些年研究者提出了基于VO_2的莫特转变场效应管。目前对于VO_2场效应管的研究已经取得一些成果但还存在较多挑战和阻碍,如采用SiO_2、TiO_2等作为栅极绝缘层的器件调制性较差,离子液体栅极调制性良好但在空气中极易失效,不利于器件化应用。为了解决上述问题,本课题尝试采用VO_2作为沟道材料,引入高介电性能的锆钛酸铅(PZT)铁电薄膜作为栅极绝缘材料构建场效应管器件结构,并对器件的输出性能和相变调控作用展开研究。针对前期的结果探索采用转移法构建VO_2器件。在硅片上通过脉冲激光法制备VO_2薄膜时,研究了沉积气氛、退火工艺对VO_2薄膜的影响,通过表征测试得到的VO_2薄膜相变性能良好,相变性能和循环稳定性良好。在此基础上实验了转移VO_2薄膜至PZT衬底,结果表明可行性较差。因此考虑研究直接生长法,通过对比研究了三种方法在PZT上直接沉积VO_2薄膜的物相、相变性能、薄膜形貌以及安全性等,结果表明通过脉冲激光法制备出结构致密、相变性能良好、并且循环稳定性良好的VO_2薄膜,为器件的构建奠定了基础,并且这一实验方法也适用于其他薄膜器件的研制。通过电子束曝光和金属蒸镀,成功研制基于VO_2/PZT/Nb-STO的场效应器件,并对器件的调制性能和相变调控性能进行了测试。实验结果表明VO_2器件的输出特性良好,具备明显的栅压调制效应,在较低的栅极偏压下器件的调制比达到了80%以上,并且响应迅速无时间滞后效应。在此基础上研究了栅绝缘层PZT薄膜的厚度对器件性能的影响,200 nm厚度的PZT的漏电流小并且调制性能最好。随后研究了场效应调制对VO_2材料的相变温度的影响,其中绝缘相态时电阻下降明显,温度滞后变窄,但对相变温度点的变化影响较小。同时也对相变机制进行了初步的解释,主要是通过栅极偏压影响晶体结构中的离子移动,导致电子浓度增加从而影响VO_2的电导率变化。通过采用高介电常数的PZT材料作为栅绝缘层,在较低电压下能提供更强的电场效应,使得最终器件的调制效果优于其他材料的效果,并且克服了离子液体栅不易于器件化的阻碍,为VO_2场效应管的器件化奠定了基础。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN386
【部分图文】：

图 1-1 VO2的 MIT 相变[17]相变机理的 MIT 相变的物理机理主要分为三种：电子的 Mott-like 转换；晶格失真机理[23-25]，即

图 1-2 VO2相变过程中原子结构的变化[27]（a）300 K（b）340.8 K（c）344 K（d）扭转角随着温度的变化（e）电阻随着温度的变化氧化钒的相变特性

二氧化钒电阻随温度变化曲线
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本文编号：2880231