FeFET存储器用BDT与BYT铁电薄膜的制备及性能研究
发布时间：2020-04-11 06:19
【摘要】： 随着现代科技的发展，对非挥发存储器(如铁电场效应晶体管FeFET存储器)的需求与日俱增，从而导致了对新的存储器材料的研究与探索的热潮。目前用于制备FeFET的铁电薄膜材料体系仍以锆钛酸铅(PZT)系为主，PZT薄膜具有一些良好的铁电性能，，如较大的剩余极化(2Pr )值以及较低的热处理温度等。然而，PZT薄膜同时具有一些致命的缺点，如抗疲劳性能差，有毒等等。开发一类新的铁电材料来取代PZT变得尤为必要。稀有金属离子掺杂的钛酸铋(Bi_4Ti_3O_(12)，简写为BIT)铁电薄膜材料结晶温度较低、抗疲劳特性好、自发极化较大，所以可望成为新的适用于FeFET器件的铁电薄膜材料。本文选择用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法在Pt(111)/Ti/SiO_2 /Si(100)基片上制备了Dy元素和Yb元素掺杂的Bi_4Ti_3O_(12)薄膜Bi_(3.4)Dy_(0.6)Ti_3O_(12)和Bi_(3.4)Yb_(0.6)Ti_3O_(12)(分别简记为BDT和BYT)，并分别对其性能进行了一些研究。 本论文在第一章中对铁电薄膜的发展概况、应用前景、制备方法和目前的研究现状进行了综述。在此基础上，给出了本文的选材及研究目的、内容。第二章介绍了本文实验所用的材料以及方法，并就影响实验结果的一些主要因素进行了分析。 在第三章和第四章中，分别研究了退火气氛和退火温度对BDT薄膜的微观结构、铁电性能及电学性能等性质的影响。结果表明退火气氛对薄膜的微观结构和铁电性能等都有很大的影响。氮气中较低温度650°C退火的BDT薄膜结晶完全，显示良好的铁电性和抗疲劳特性，而空气和氧气中退火的BDT薄膜只有在退火温度升高到700°C时才显示较好的结晶度和铁电性。所以，与空气和氧气相比，氮气中退火可以大大降低BDT薄膜的结晶温度。另外，氮气、空气和氧气中退火的BDT薄膜的表面颗粒平均尺寸随着退火温度的升高而增大，铁电性却并不是随着退火温度单调增长，而是在到达最佳退火温度点后，剩余极化值又随着退火温度的进一步提高而减小。 第五章研究了Dy元素的含量对BDT薄膜的性能影响，结论是：Bi_(3.4)Dy_(0.6)Ti_3O_(12)薄膜的性能最好。我们认为得出这样的结果的原因在于Dy~(3+)离子取代Bi~(3+)离子的位置有差异。当Dy元素的含量在一个适当的范围之内时，Dy~(3+)离子优先取代Bi_2O_2层的Bi~(3+)离子，而这将破坏铋层状钙钛矿结构的对称性，从而提高BDT薄膜的自发极化强度(或剩余极化强度)。但是过多的Dy掺杂又会导致Dy~(3+)离子取代位于Bi_2Ti_3O_(10)结构中的Bi~(3+)离子，这会破坏Bi_2Ti_3O_(10)的钙钛矿结构，从而降低薄膜的自发极化强度(或剩余极化强度)。 第六章介绍了BYT薄膜的制备过程。采用Sol-Gel法我们首次成功地在Pt(111)/Ti/SiO_2 /Si(100)基底上沉积出Bi_(3.4)Yb_(0.6)Ti_3O_(12)(BYT)铁电薄膜，此项工作目前还没有任何文献报道。详细研究了不同退火温度(600°C-750°C)下BYT铁电薄膜的铁电性能。
【图文】：
法 国 L a Roc h e l l e 地 方 的 药 剂 师 Pi erre de la S 洒 石 酸 钾 钠 (sodium potassium tartrate 4 H2O)， 这 种 晶 体 后 来 被 称 为 R S(罗 息)盐 。 1 9 在 外 电 场 E 作 用 下 ，其 极 化 强 度 P 有 如 图 1.1 所 出 特 殊 的 非 线 性 介 电 行 为 ；RS 的 这 种 特 性 被 称当 时 人 们 已 熟 知 铁 磁 体 的 磁 滞 回 线 ， 图 1.1 的 PB(H)关 系 曲 线 很 相 似 ，故 被 称 为 电 滞 回 线 。于 把 seignette 电 性 称 为 铁 电 性 ， 而 具 有 铁 电 性 的 或称为铁电 体[ 1 ]。
图 1.2 铁 电 薄 膜 电 滞 回 线 及 存 储 机 理 示 意 图 子 极 化 使 铁 电 体 在 宏 观 上 表 现 为 ：极 化 强 度 与 外 电 场 之 ， 得 到 电 滞 回 线 ； 反 向 电 场 超 过 矫 顽 场 时 发 生 极 化 反 表 现 出 正 、 负 剩 余 极 化 (±Pr)， 如 图 1.2 所 示 。 因 此 ， 要 外 带 电 场 或 电 压 的 维 持 ， 仍 能 保 持 原 有 的 极 化 信 息 ， 不 同 于 需 维 持 电 源 才 能 保 持 原 有 信 息 的 半 导 体 动 态M)。 薄膜存储器 的基本结构形式 件 是 铁 电 薄 膜 最 主 要 的 应 用 领 域 之 一 ，也 是 推 动 铁 电 薄 动 力 之 一 。 铁 电 存 储 器 有 两 种 基 本 工 作 模 式[ 6 , 7 ]： 一 种O)；另 一 种 是 非 破 坏 性 读 出(NDRO)。其 中 DRO 铁 电 存 膜 的 电 容 效 应 ，以 铁 电 薄 膜 电 容 取 代 常 规 的 存 储 电 荷
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TP333
本文编号：2623252
【图文】：
法 国 L a Roc h e l l e 地 方 的 药 剂 师 Pi erre de la S 洒 石 酸 钾 钠 (sodium potassium tartrate 4 H2O)， 这 种 晶 体 后 来 被 称 为 R S(罗 息)盐 。 1 9 在 外 电 场 E 作 用 下 ，其 极 化 强 度 P 有 如 图 1.1 所 出 特 殊 的 非 线 性 介 电 行 为 ；RS 的 这 种 特 性 被 称当 时 人 们 已 熟 知 铁 磁 体 的 磁 滞 回 线 ， 图 1.1 的 PB(H)关 系 曲 线 很 相 似 ，故 被 称 为 电 滞 回 线 。于 把 seignette 电 性 称 为 铁 电 性 ， 而 具 有 铁 电 性 的 或称为铁电 体[ 1 ]。
图 1.2 铁 电 薄 膜 电 滞 回 线 及 存 储 机 理 示 意 图 子 极 化 使 铁 电 体 在 宏 观 上 表 现 为 ：极 化 强 度 与 外 电 场 之 ， 得 到 电 滞 回 线 ； 反 向 电 场 超 过 矫 顽 场 时 发 生 极 化 反 表 现 出 正 、 负 剩 余 极 化 (±Pr)， 如 图 1.2 所 示 。 因 此 ， 要 外 带 电 场 或 电 压 的 维 持 ， 仍 能 保 持 原 有 的 极 化 信 息 ， 不 同 于 需 维 持 电 源 才 能 保 持 原 有 信 息 的 半 导 体 动 态M)。 薄膜存储器 的基本结构形式 件 是 铁 电 薄 膜 最 主 要 的 应 用 领 域 之 一 ，也 是 推 动 铁 电 薄 动 力 之 一 。 铁 电 存 储 器 有 两 种 基 本 工 作 模 式[ 6 , 7 ]： 一 种O)；另 一 种 是 非 破 坏 性 读 出(NDRO)。其 中 DRO 铁 电 存 膜 的 电 容 效 应 ，以 铁 电 薄 膜 电 容 取 代 常 规 的 存 储 电 荷
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TP333
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 李彬;溶胶-凝胶薄膜科学与技术的由来和发展[J];材料导报;1992年06期
2 龚健,陶明德;溶胶-凝胶法制备BaTiO_3系薄膜[J];功能材料;1998年04期
本文编号：2623252
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