与CMOS后端工艺高度兼容的Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_2铁电电容的制备和性能研究

最近,在氧化铪薄膜材料中掺杂适量元素发现了铁电性,因为氧化铪薄膜材料与传统的钙钛矿结构铁电材料相比具有可微缩性化、较大的矫顽电场、与CMOS后端工艺高度兼容等优势,从而引起了广泛的关注.该文对应用于铁电场效应晶体管(FeFET)的存储介质Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_2(HZO)基铁电薄膜的制备进行了研究.采用原子层沉积法(ALD)制备HZO基铁电薄膜,研究了不同厚度(9 nm、19 nm、29 nm)、不同顶电极(TaN、Pt),以及不同退火温度(450～750℃)对HZO铁电薄膜的铁电性能的影响.结果表明,选用TaN作为上电极,退火温度为550℃时,19 nm厚氧化铪铁电薄膜表现出更加优异的铁电性能.同时,表征了HZO铁电薄膜的保持和疲劳性能,以及HZO铁电薄膜在高低温环境下的稳定性.     

Mg掺杂Ga_(0.6)Fe_(1.4)O_3薄膜的制备及其多铁性能表征

GaFeO_3(GFO)是一种同时具有室温铁电和低温亚铁磁性的单相多铁材料,且其磁性转变温度可以通过调节Fe元素含量提高至室温,具有广阔的应用前景.研究发现,室温下Ga_(0.6)Fe_(1.4)O_3薄膜具有铁电性和弱磁性,但是由于薄膜的漏电流较大,制约了其实际应用.采用溶胶-凝胶法结合旋涂工艺成功制备了Mg掺杂的Ga_(0.6)Fe_(1.4)O_3薄膜,薄膜厚度约为100 nm,并对Ga_(0.6)Mg_xFe_(1.4-x)O_3(GMFO)薄膜的铁电性尤其是漏电性能进行了表征.研究结果表明:Mg离子掺杂的薄膜样品在室温下表现出铁电性,当x=0.05时,薄膜具有相对而言优良的铁电性能,矫顽电场强度(E_c)为25 kV/cm,剩余极化强度(P_r)为4.89μC/cm~2;适量Mg离子的掺杂可以使薄膜的漏电流密度降低2个数量级,x=0.05时,对应薄膜的漏电流最小,漏电流密度在10~(-1)～10~(-5) A/cm~2范围内.随着Mg离子掺杂含量的继续增加,薄膜的漏电流密度逐渐变大.压电力显微技术(PFM)测试结果表明,GMFO薄膜的力电耦合主要来自于薄膜的线性压电信号.GMFO薄膜具有室温弱磁性,当x=0.05时,薄膜具有最大的剩余磁化强度为9.8 emu/cm~3.该实验结果对于提高GFO多铁材料的性能,从而实现纳米器件的应用具有重要的指导意义.     

钇掺杂氧化铪薄膜的铁电与非线性光学性能研究

铁电材料在铁电动态随机储存器、铁电场效应晶体管、铁电隧穿结和负电容器件等领域得到研究者的广泛关注近年来，铁电二氧化铪(HfO2)材料由于具有CMOS兼容性、高介电常数、宽带隙等特点成了研究热点该文使用脉冲激光沉积技术制备了钇掺杂铁电二氧化铪（HYO）并研究了其铁电和疲劳特性，指出薄膜的疲劳是由束缚在浅势阱中的注入载流子造成的畴壁钉扎效应引起进一步研究了60Co γ 射线对HYO薄膜铁电存储性能的影响，发现薄膜的抗辐照能力优于传统的铁电材料最后，研究了基于HYO薄膜的非线性光学效应，计算出的HYO薄膜的二阶非线性系数为χ(2)=（6.0±0.5） pm/V这些研究为铁电HfO2薄膜在存储和非线性光学领域的应用奠定了基础     

下电极TiN粗糙度对HZO薄膜铁电性的影响

传统钙钛矿铁电薄膜具有一系列优点的同时也具有较为明显的缺点，主要包括：与Si工艺兼容性较差、物理厚度较大、带隙宽度较小以及非环境友好等2011年新型掺杂HfO2铁电薄膜的出现，为解决上述一系列问题提供了新思路其中，因铁电性能显著及易于制备，HfO2 ZrO2固溶体（HZO）体系成了重要的研究热点之一与此同时，在充分考虑制备成本和可控沉积条件之后，研究者发现溅射技术是制备HZO薄膜较为有效的手段之一该文在利用溅射技术制备TiN/HZO/TiN（MFM）铁电电容结构的过程中发现：下电极TiN粗糙度对新型HfO2基MFM电容结构铁电性的产生具有重要影响；相较于磁控溅射技术而言，离子束溅射技术制备的下电极TiN具有更好的粗糙度，更有利于体系铁电性能的出现.     

与CMOS工艺兼容的氧化铪基铁电材料的亚稳相及其存储器器件力学

该文对新型的氧化铪基铁电晶体管存储器的巨大优势及其面临的工程和科学问题进行了详细评述,提出了存储器"器件力学"的概念.作为电子信息技术最核心的存储器是衡量国家综合实力和关系国家安全的战略性技术,我国全部依赖进口,几乎不能做到自主可控.新型存储器是我们"变轨超车"的绝佳机会.氧化铪基铁电晶体管(FeFET)存储器与CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺完全兼容,这就为其产业化创造了得天独厚的先天条件.HfO_2基铁电薄膜的FeFET存储器与CMOS兼容,可以实现FinFET(鱼鳍3D架构),可以突破后摩尔时代、有望填补"存储鸿沟",具有超高抗辐射能力、能耗低等突出优点,将引领新型存储器的发展方向.疲劳性能不是很好、存储器存储窗口的均匀性欠佳是限制氧化铪基FeFET存储器产业化的技术瓶颈,即工程问题.亚稳相、复杂界面效应、存储器"器件力学"的理论基础不清楚是限制与CMOS工艺兼容的氧化铪基铁电存储器产业化的关键科学问题.需要从氧化铪基FeFET存储器面临的工程问题提炼出基础科学问题,通过氧化铪基材料的铁电物理本质、亚稳相及其本构关系的研究,将界面的物理力学性能研究作为一个桥梁,提出栅极电压V_G即"场效应"和"铁电性"双控制因素下的存储器"器件力学"理论模型和实验研究方法,从而为解决氧化铪基FeFET存储器的技术瓶颈提供理论和实验支撑.     

TiN/HZO/HfO_2/Si铁电晶体管栅结构的~(60)Coγ射线总剂量辐射效应

该文制备了TiN/Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_2(HZO)/HfO_2/Si (MFIS)型的铁电晶体管栅结构,并在常规实验环境下对其进行了P-E、J-E、疲劳和保持等的电学性能测试.结果表明这种基于铪系氧化物的栅结构具有优良的电学性能,2P_r可达30μC/cm~2,2E_c约为6.8 MV/cm,矫顽场附近的漏电流密度为10~(-6)A/cm~2,在10~(5 )s保持时间内剩余极化值衰减10%,经10~7次翻转后剩余极化值基本保持不变,经10~9次翻转后剩余极化值的衰减维持在15%以内.MFIS铁电栅的~(60)Coγ射线电离辐射实验结果表明这种栅结构对总剂量电离辐射具有很强的免疫力,在辐射剂量高达5 Mrad(Si)时,电滞回线矩形度、对称性以及保持性能等几乎没有退化.该文所制备的全铪系薄膜铁电栅为高抗总剂量辐射、高读写寿命、长保存时间的高性能晶体管型铁电存储器的制备提供了数据支撑.     

HfO2基铁电薄膜在循环电场 载荷下的极化翻转行为

二氧化铪（HfO2）铁电薄膜具有优秀的CMOS工艺兼容性，10 nm以下工艺制程的微缩能力，可采用原子层沉积（ALD）技术实现在3D电容器结构中的保型生长，因此在实现低功耗、高集成密度的非易失性存储器应用方面显示出巨大的潜力该文首先简要回顾了HfO2基铁电薄膜的发现过程和随后的国内外研究现状，然后以Si掺杂HfO2铁电薄膜在循环电场载荷下的实测结果为例，介绍了这一新型铁电材料极化翻转行为中出现的唤醒（wake up）、疲劳和饱和极化翻转电流峰劈裂等效应，分别总结了对上述现象现有的实验和理论研究进展     

金属有机物分解法制备HfO2 ZrO2纳米多层薄膜及其铁电性能研究

HfO2基铁电薄膜是一种环境友好型的铁电材料，具有尺寸可缩放性、与CMOS兼容性好等多方面优势，有望代替传统钙钛矿结构材料成为铁电存储器件的主要组成材料之一近年来，已有相关研究表明Zr掺杂的HfO2基薄膜具有良好的铁电性然而，针对其复合多层结构的铁电薄膜却鲜有报道为此，该研究利用金属有机物分解法制备了HfO2和ZrO2层交替生长的HfO2 ZrO2纳米多层薄膜，对薄膜的物相、表面形貌和铁电性能进行了相应的表征和分析，研究了退火工艺对薄膜铁电性能的影响结果表明，随着纳米层数的增加，HfO2 ZrO2薄膜的结晶性得到改善，且薄膜表面致密度增加，表面较为平整，晶粒有所细化在400 ℃、1 min的退火条件下，HfO2/ZrO2纳米多层薄膜具有明显的铁电性，电流翻转峰明显，剩余极化强度高达16 μC/cm2，纳米多层薄膜具有最小的漏电流密度以及良好的耐疲劳性能     

Fe元素掺杂二氧化钛纳米薄膜的光物理化学性质

分别用硝酸铁溶液浸渍法和反胶束溶胶制备法中添加硝酸铁的掺铁方式,制备铁元素掺杂TiO2(Fe-TiO2)纳米薄膜.对Fe元素掺杂二氧化钛纳米薄膜和未掺铁二氧化钛薄膜的紫外可见光谱进行研究,发现硝酸铁浸渍法制备的掺铁二氧化钛薄膜吸收光谱发生红移,在可见光区表现出一定的光学活性,而反胶束制备过程中掺杂的二氧化钛薄膜吸收光谱发生蓝移.膜的半导体禁带宽研究表明,与纯二氧化钛薄膜相比,浸渍法制备的膜禁带宽变小了,而反胶束制备过程中掺杂的二氧化钛薄膜其禁带宽变大了,表明不同的掺方式对膜的电子结构产生了不同的影响,从而影响了膜的光催化反应活性.     

钬铬共掺铁酸铋薄膜对钛酸铋钠钾铁电薄膜的性能调控

用溶胶-凝胶法,在Pt/Ti/SiO_2/Si(100)衬底上制备了钬铬共掺铁酸铋(BHFCO)-钛酸铋钠钾(NKBT)薄膜,系统研究不同BHFCO掺杂量对(1-x)NKBT-xBHFCO薄膜的微观结构、表面形貌和电学性能的影响.结果表明:680℃退火处理后的(1-x)NKBT-xBHFCO薄膜表面比较均匀、致密,结晶度较好;0.95NKBT-0.05BHFCO薄膜样品的剩余极化值(2P_r)最大(71.3μC/cm~2),矫顽场最小(2E_c=530 kV/cm),电滞回线饱和矩形度最好,漏电流最小(2.1×10~(-6 )A/cm~2).0.95NKBT-0.05BHFCO薄膜的,相对介电常数最大(约为493),介电损耗最小(约为0.04);薄膜的高温介电温谱表明,所有薄膜的居里温度(T_c)在(450±10)℃.不同厚度薄膜的介电性能表明,铁电薄膜内部的挠曲电效应显著降低了薄膜的最大介电常数值.     

掺Zn纳米TiO2的光致发光及其与光催化活性的关系

采用sol-gel法制备了纯的和掺杂不同量Zn的TiO2纳米粒子,并利用XRD,XPS和PL光谱等对样品进行了表征,主要考察了焙烧温度和掺Zn量对TiO2纳米粒子PL性质以及光催化活性的影响,并探讨了PL光谱与光催化活性的关系.结果表明Zn的掺杂没有引起新的光致发光现象,但适量Zn的掺杂能够增加TiO2纳米粒子PL光谱的强度.在光催化氧化苯酚过程中,经500℃处理的样品表现出较高的活性.不同掺Zn量的TiO2样品的活性顺序是3mol%＞1mol%＞0.5mol%＞Omol%＞5mol%,这与它们的PL光谱强度的顺序是一致的.即PL强度越高,光催化活性越高.     

基于Cu和TiN盖层的Hf0.5Zr0.5O2薄膜铁电性能比较研究

该文采用原子层沉积在Si/SiO2/TiN基底上制备了20 nm Hf0.5Zr0.5O2 (HZO)薄膜，并分别以TiN和Cu为盖层构筑了HZO铁电电容器掠入射X射线衍射测试表明，TiN和Cu作为盖层的HZO薄膜都具有明显的正交相系统比较研究了Cu和TiN盖层对HZO薄膜的铁电、漏电和可靠性的影响极化 电压测试表明，TiN和Cu为盖层的HZO薄膜在±4 V扫描电压下，剩余极化强度 (2Pr) 值分别为40.4 μC/cm2和21.2 μC/cm2相应的矫顽电压分别为+1.7 V和+2.0 V极化疲劳与保持特性测试表明，在经过2.3×108循环次数后，以TiN和Cu为盖层的HZO薄膜的2Pr值分别衰减了39.7%和45.6%经过1.3×104 s保持测试，TiN和Cu盖层的HZO薄膜的2Pr值从初始34.4 μC/cm2和17.1 μC/cm2分别下降到了22.6 μC/cm2和1.6 μC/cm2上述结果说明，金属盖层是影响HZO铁电性的一个非常重要的因素盖层的功函数、热膨胀系数、界面缺陷和界面介电层都是导致HZO薄膜铁电性差异的可能机制该文工作对于进一步理解HZO铁电性起源和影响机制提供了有意义的借鉴，将有助于发展未来高性能的HZO铁电存储器和负电容晶体管     

La掺杂对Bi_6Fe_(1.4)Co_(0.6)Ti_3O_(18)薄膜样品铁电性能影响研究

利用溶胶凝胶法制备了Bi_(6-x)La_xFe_(1.4)Co_(0.6)Ti_3O_(18)(0≤x≤1)多晶薄膜样品,系统研究了不同La掺杂量对Bi_6Fe_(1.4)Co_(0.6)Ti_3O_(18)样品的结构、形貌及铁电性能的影响.通过X射线衍射仪分析表明此掺杂化合物形成了具有正交晶系的单相,在掺杂范围内没有观察到第二相出现. SEM表面形貌图可以看出,随着La掺杂量的变化使薄膜颗粒大小地改变,进而将影响材料的性能.铁电测试显示所有的样品都具有良好地电滞回线,显示出良好的铁电性能.因此一定量的稀土元素的掺杂可以较好地改进材料的铁电性能.     

氮气中退火制备（Bi，Dy）4Ti3O12铁电薄膜

采用化学溶液沉积法(CSD)将Bi3.4Dy0.6Ti3O12(BDT)前驱体溶液沉积在Pt(111)/Ti/SiO2/Si(111)基底上,然后在氮气环境中分别于600℃、650℃、700℃和750℃四个温度下退火,成功地制作出BDT铁电薄膜.用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)等分别对其表面形貌、结构及其成份进行了表征;用铁电分析仪测试了其铁电性能.随着退火温度的升高,薄膜的晶粒尺寸逐渐增大,但其剩余极化不是随着退火温度的升高而单调增加.氮气中650℃退火的BDT铁电薄膜结晶良好,并且具有最大的剩余极化值(2Pr=7.8μC/cm2;Ec=95.7 kV/cm).另外,就温度对BDT铁电薄膜性能的影响机理进行了讨论.     

Er:LiNbO3晶体拉曼光谱与荧光光谱研究

以Czochralski提拉法生长出一系列Er: LiNbO3晶体(Er: 1.0mol%, 2.0mol%, 3.0mol%),测量室温下的拉曼光谱和荧光光谱,比较不同Er3 掺杂浓度晶体发现,Er: LiNbO3晶体振动模的对称性及分布几乎不改变,但随着Er3 掺杂浓度的改变,其拉曼峰位轻微向短波数方向移动,拉曼光谱及荧光光谱强度也出现变化.     

铪基铁电薄膜及其隧道结存储器件研究

在信息技术高度发达的今天，传统的信息存储技术正面临着诸多挑战，铁电隧道结等新兴存储器受到了越来越广泛的关注基于氧化铪材料的铁电隧道结存储器具有读写快、能耗低、与传统CMOS工艺兼容等优势该文制备了两种底电极的铪锆氧铁电隧道结，测试其铁电特性和存储性能其中采用铂为底电极的铪锆氧铁电隧道结不仅有较高的剩余极化强度和优秀的疲劳特性，并且在编程速度和响应时间上优于传统的铁电材料，展现出良好的应用前景     

新型低维铁电材料及其器件

低维铁电薄膜是一种得到广泛研究的铁电存储器的核心材料，其利用自发极化这一本征特性来实现信息存储铁电材料的极化方向在外加电场作用下以超快速度进行切换，切换后的电畴具有保持特性利用该原理的新型存储技术可以实现高速、低功耗、非破坏性读取以及超高密度存储传统铁电材料受到临界尺寸限制，即随厚度减薄到极限尺寸后材料失去铁电特性，为此发展了大量的新型二维铁电薄膜，突破了以上临界尺寸的限制，为未来集成通用存储器带来了希望该文综述了铁电材料相关背景及研究理论；报道了低维铁电钙钛矿薄膜畴壁电流相关研究以及基于第一性原理的二维铁电材料理论研究和实验论证；阐述了基于这些新型低维铁电材料的铁电畴壁存储器，基于氧化铪的铁电场效应晶体管，以及铁电二极管的工作原理；总结了低维铁电材料及其器件这一崭新领域目前所面临的挑战，以及对未来进行了展望     

LaFeO_3缓冲层对BaTiO_3铁电薄膜电学性能的调控

采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法制备了BTO、LFO/BTO和LFO/BTO/LFO三种结构的BTO铁电薄膜,旨在通过LFO缓冲层来调控BTO薄膜的电学性能.研究发现:LFO缓冲层的引入减小了BTO铁电薄膜的漏电流,提高了其电滞回线的矩形度,获得了更高的剩余极化、饱和极化和更低的矫顽电压.这种调控作用在LFO/BTO/LFO薄膜中的效果要比在LFO/BTO中更加明显.结果表明,通过合理地设计LFO缓冲层,可以有效地改善BTO铁电薄膜的宏观电学性能.     

退火气氛对铽掺杂氧化锌纳米薄膜发光性能的影响

以Zn(Ac)_2 2H_2O和Tb_4O_7为原料,采用溶胶-凝胶、浸渍-提拉技术在单晶硅(100)衬底上制备了铽掺杂的氧化锌(ZnO∶Tb)薄膜。分别在氮气和氢气气氛下对薄膜进行退火处理,并进行了XRD、IR、EDS和AFM表征,同时结合荧光光谱测试详细研究了退火气氛对薄膜发光性质的影响。结果表明,经氮气和氢气气氛处理的薄膜中,ZnO∶Tb粒子均具有六方纤锌矿结构,且排列致密均匀,相应的ZnO∶Tb粒径分别为59和45 nm。经氮气气氛处理的ZnO薄膜,掺杂前后的发光情况变化显著,由485 nm的蓝光发射移到382 nm的紫外发射。用氢气进行退火处理时,掺杂前后薄膜的荧光光谱都由强的紫外发射和弱的蓝光发射组成,但掺杂后薄膜的紫外光发射减弱,蓝光发射增强。薄膜层数为3、Tb掺杂量为3.85 mol%时,ZnO∶Tb薄膜的荧光发射效果最佳。     

Ce改性Ti基PbO_2电极的制备及电催化氧化4—氯酚的研究

采用电沉积法制备了Ti基PbO2电极(Ti/PbO2)和Ce改性Ti基PbO2电极(Ti/PbO2—Ce).利用扫描电子显微镜(SEM)和循环伏安法对改性前后的电极进行表征,并考察电极的电催化氧化能力.实验结果表明:Ti/PbO2—Ce电极具有比Ti/PbO2电极更小的晶粒尺寸和更高的电催化氧化降解有机物污染物能力.Ti/PbO2—Ce电极电催化氧化降解4—氯酚(4—CP)2 h后,溶液的BOD5/COD值由0.03升高到0.48,有效地提高了4—CP废水的可生化性.