PZT基铁电薄膜晶体管的制备与性能研究
发布时间：2021-10-05 01:45
非易失性存储器在电子设备中扮演着重要的角色,而铁电栅介质晶体管由于其非破坏性读出、高速、耐辐射等特性,受到了越来越多的关注。近年来,随着可穿戴设备以及各类智能产品的发展,柔性电子成为了研究的热点,而透明电极则是其重要的组成部分。云母凭借其可弯曲特性和原子级的平整表面等优点,成为了很有前景的柔性透明衬底之一。氧化铟锡（ITO）是目前广泛使用的透明电极,与柔性衬底相结合,可以催生出很多新型电子器件,柔性的铁电晶体管器件也是研究的方向之一。本研究基于磁控溅射,首先在长有钌酸锶（SRO）底电极的钛酸锶（STO）单晶衬底上制备了外延锆钛酸铅（PZT）薄膜,并对其结构和铁电性等进行了表征,得到铁电性能较好的样品。在此基础上,利用微加工技术制备了PZT铁电薄膜晶体管。通过对电学性能的分析,可以看到PZT有着很强的调控作用,以氧化锌和氧化铟镓锌两种材料作为沟道的晶体管都可以实现较大的开关比。而通过晶体管结构的调整以及加温的方法,可以减弱界面陷阱电荷对于晶体管特性的影响。随后,在云母上进行了ITO薄膜的制备,探究不同工艺和退火条件对于ITO的影响,对样品进行表面形貌、晶格结构、电学和光学特性以及机械性能...
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铁电体的电滞回线[2]
华东师范大学硕士学位论文4图1.2(a)PZT的晶格结构(b)不同极化状态下的氧八面体结构锆钛酸铅是钛酸铅和锆酸铅的固溶体[5]，钛酸铅和锆酸铅是典型的铁电与反铁电体。由于钛离子（0.64）和锆离子（0.77）的半径接近，它们可以以任意比例形成固溶体。钛酸铅的居里温度为492°C，锆酸铅的居里温度为232°C，两者形成的PZT相比其他铁电体有着更出色的介电和压电性能。PZT的压电、铁电性能可以通过改变钛和锆的比例来调整。锆钛比例约为52/48时，PZT处于四方相和三方相的交界处，又称为准同型相界，此时的居里温度约为380°C。随着钛的比例提高，PZT将从三方相转变为四方相，自发极化的取向也从（111）向（001）转变。由于晶格结构的变化，PZT在该区域附近有着最大的结构活性[6]，材料能达到最大的压电性。当Zr/Ti比例为40/60和30/70时，PZT有着高的极化和清晰的开关特性。PZT薄膜的制备温度较低，与硅工艺兼容，是目前商用最多的铁电材料之一。常用的制备方法包括磁控溅射、脉冲激光沉积、溶胶凝胶法等。在低温下制备的PZT薄膜需要退火步骤，使其从非晶态转变为钙钛矿结构后才具备铁电性。PZT
华东师范大学硕士学位论文6和Flash闪存相比，铁电存储器有着更好的非易失特性，在没有电场的情况下可以保持其存储的状态。同时有着更高的读写速度，较低的耗散功率以及较高的抗辐射能力[14]。铁电存储器通常分为两类：由铁电薄膜电容器与晶体管构成的存储器和铁电绝缘栅晶体管。基于铁电薄膜电容器的存储器即1T1C型FeRAM[15]，也简称为FeRAM，如图1.3所示。在这类器件中，晶体管在电路中起到了寻址的作用。在栅极上施加高电平使其导通后，可对铁电电容器进行操作。在铁电电容器上施加超过矫顽电压的正负脉冲后，可以存储开关状态，根据不同的极化方向可定义为“0”和“1”。通过一个识别极性的脉冲，可以读出存储状态。当脉冲的极性与铁电电容极化相反时，发生极化翻转，会在外部电路中产生一个大电流。如果脉冲极性与铁电电容极化相同，那么输出电流就很校测得电流的强度就表明了存储的状态。若铁电薄膜的极化强度较弱，可以通过结合一对FET和铁电电容（2T2C结构）来更好地判断[16]。不过，1T1C的FeRAM在施加读脉冲后会破坏原先存储的状态，因此在读出后需要再加一个脉冲进行存储的写回。随着大量的读写,会发生疲劳失效等可靠性问题。并且，极化翻转的电流和铁电电容面积成正比。当器件尺寸缩小后，也需要更大的剩余极化。锆钛酸铅薄膜有着大的剩余极化和低矫顽电压。SrRuO3（SRO）电极的使用大大改善了疲劳特性，循环次数可达1012次。目前，1T1C型FeRAM已经商业化，在IC卡、火车票、智能电表、通信和射频识别等设备中得到应用。图1.3FeRAM结构图第二类是铁电栅场效应晶体管，也被称为1T型或者FeFET。其结构就是将
【参考文献】：
期刊论文
[1]锡掺杂对ITO膜方阻和结构的影响[J]. 马颖,吕庆莉,张方辉,袁桃利,张麦丽. 液晶与显示. 2006(05)
[2]冲击加载下PZT95/5铁电陶瓷的脉冲大电流输出特性[J]. 杜金梅,张毅,张福平,贺红亮,王海晏. 物理学报. 2006(05)
[3]ITO透明导电薄膜的制备及光电特性研究[J]. 陶海华,姚宁,辛荣生,边超,张兵临. 郑州大学学报(理学版). 2003(04)
[4]钙钛矿结构[J]. 高西汉. 压电与声光. 1994(04)
硕士论文
[1]PSZT压电薄膜的制备，表征与应用[D]. 陈会林.大连理工大学 2009
本文编号：3418753
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铁电体的电滞回线[2]
华东师范大学硕士学位论文4图1.2(a)PZT的晶格结构(b)不同极化状态下的氧八面体结构锆钛酸铅是钛酸铅和锆酸铅的固溶体[5]，钛酸铅和锆酸铅是典型的铁电与反铁电体。由于钛离子（0.64）和锆离子（0.77）的半径接近，它们可以以任意比例形成固溶体。钛酸铅的居里温度为492°C，锆酸铅的居里温度为232°C，两者形成的PZT相比其他铁电体有着更出色的介电和压电性能。PZT的压电、铁电性能可以通过改变钛和锆的比例来调整。锆钛比例约为52/48时，PZT处于四方相和三方相的交界处，又称为准同型相界，此时的居里温度约为380°C。随着钛的比例提高，PZT将从三方相转变为四方相，自发极化的取向也从（111）向（001）转变。由于晶格结构的变化，PZT在该区域附近有着最大的结构活性[6]，材料能达到最大的压电性。当Zr/Ti比例为40/60和30/70时，PZT有着高的极化和清晰的开关特性。PZT薄膜的制备温度较低，与硅工艺兼容，是目前商用最多的铁电材料之一。常用的制备方法包括磁控溅射、脉冲激光沉积、溶胶凝胶法等。在低温下制备的PZT薄膜需要退火步骤，使其从非晶态转变为钙钛矿结构后才具备铁电性。PZT
华东师范大学硕士学位论文6和Flash闪存相比，铁电存储器有着更好的非易失特性，在没有电场的情况下可以保持其存储的状态。同时有着更高的读写速度，较低的耗散功率以及较高的抗辐射能力[14]。铁电存储器通常分为两类：由铁电薄膜电容器与晶体管构成的存储器和铁电绝缘栅晶体管。基于铁电薄膜电容器的存储器即1T1C型FeRAM[15]，也简称为FeRAM，如图1.3所示。在这类器件中，晶体管在电路中起到了寻址的作用。在栅极上施加高电平使其导通后，可对铁电电容器进行操作。在铁电电容器上施加超过矫顽电压的正负脉冲后，可以存储开关状态，根据不同的极化方向可定义为“0”和“1”。通过一个识别极性的脉冲，可以读出存储状态。当脉冲的极性与铁电电容极化相反时，发生极化翻转，会在外部电路中产生一个大电流。如果脉冲极性与铁电电容极化相同，那么输出电流就很校测得电流的强度就表明了存储的状态。若铁电薄膜的极化强度较弱，可以通过结合一对FET和铁电电容（2T2C结构）来更好地判断[16]。不过，1T1C的FeRAM在施加读脉冲后会破坏原先存储的状态，因此在读出后需要再加一个脉冲进行存储的写回。随着大量的读写,会发生疲劳失效等可靠性问题。并且，极化翻转的电流和铁电电容面积成正比。当器件尺寸缩小后，也需要更大的剩余极化。锆钛酸铅薄膜有着大的剩余极化和低矫顽电压。SrRuO3（SRO）电极的使用大大改善了疲劳特性，循环次数可达1012次。目前，1T1C型FeRAM已经商业化，在IC卡、火车票、智能电表、通信和射频识别等设备中得到应用。图1.3FeRAM结构图第二类是铁电栅场效应晶体管，也被称为1T型或者FeFET。其结构就是将
【参考文献】：
期刊论文
[1]锡掺杂对ITO膜方阻和结构的影响[J]. 马颖,吕庆莉,张方辉,袁桃利,张麦丽. 液晶与显示. 2006(05)
[2]冲击加载下PZT95/5铁电陶瓷的脉冲大电流输出特性[J]. 杜金梅,张毅,张福平,贺红亮,王海晏. 物理学报. 2006(05)
[3]ITO透明导电薄膜的制备及光电特性研究[J]. 陶海华,姚宁,辛荣生,边超,张兵临. 郑州大学学报(理学版). 2003(04)
[4]钙钛矿结构[J]. 高西汉. 压电与声光. 1994(04)
硕士论文
[1]PSZT压电薄膜的制备，表征与应用[D]. 陈会林.大连理工大学 2009
本文编号：3418753
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