Ce掺杂HfO_2薄膜的化学溶液法制备及其铁电性能研究

氧化铪基薄膜与金属氧化物半导体(CMOS)工艺高度兼容,具有良好的可微缩性和保持性能,其铁电性的发现引起了科学家们的广泛关注.该文通过化学溶液法在铂(Pt)衬底上制备5 mol%和10 mol%的铈掺杂氧化铪基(Ce:HfO_2)薄膜,并在不同的退火温度条件下对薄膜进行处理.分别利用电滞回线,掠入射X射线衍射(GIXRD)对薄膜的铁电性能和结构进行了测试和表征.研究发现:5 mol%的铈掺杂氧化铪薄膜具有铁电性,铈掺杂在氧化铪中诱导了铁电正交相;10 mol%的铈掺杂氧化铪薄膜则表现出了反铁电性,最大剩余极化(P_r)为21.02μC/cm~2.实验结果表明,通过调控掺杂浓度,铈元素能诱导出氧化铪薄膜中的铁电相.     

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.     

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     

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.     

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     

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     

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.     

不同退火气氛下BNT铁电薄膜的制备及其性能研究

采用溶胶凝胶法(sol-gel)并分别在N2和O2中退火,制备了Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNT)铁电薄膜.对样品进行X射线衍射(XRD)测试,用扫描电子显微镜(SEM)对其形貌进行表征并用铁电分析仪分析其铁电性能(P-E).实验结果显示样品具有纯BTO钙钛矿晶体结构,均匀致密的表面形貌,很好的铁电性能(Pr25 kV/cm2).在O2中退火的BNT薄膜具有更优异的结构和性能,说明O2环境能够有效抑制退火过程中氧空位的产生.     

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.     

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     

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     

(0.94-y)Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3-0.06BaTiO_3-yBiFeO_3陶瓷的制备与性能

利用传统工艺制备了(0.94-y)Na0.5Bi0.5Ti O3-0.06Ba Ti O3-y Bi Fe O3无铅压电陶瓷。研究了在Ba Ti O3定量的情况下,Bi Fe O3对陶瓷的热学性质、结构、介电性能及铁电性能的影响。实验结果表明,陶瓷粉料在700℃左右合成反应基本完成,得到了较适宜的烧结温度;所制备的陶瓷均为单一的钙钛矿结构;Bi Fe O3的掺杂量为0.02时,陶瓷样品的机电耦合系数Kp、机械品质因数Qm都取得最大值,此时介点损耗tanδ(10k Hz)也比较低。     

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.     

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     

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.     

~(60)Co-γ射线辐照对PbZr_(0.1)Ti_(0.9)O_3(111)铁电薄膜性能的影响

采用脉冲激光沉积方法在SrTiO_3衬底上制备了SrRuO_3底电极和(111)择优取向的PbZr_(0.1)Ti_(0.9)O_3外延铁电薄膜,通过顶电极Pt的构建形成了Pt/PbZr_(0.1)Ti_(0.9)O_3(111)/SrRuO_3铁电电容器结构,然后对PbZr_(0.1)Ti_(0.9)O_3(111)铁电薄膜开展了~(60)Co-γ射线总剂量辐照效应实验.结果表明:随着γ射线辐照剂量的增加,PbZr_(0.1)Ti_(0.9)O_3(111)铁电薄膜中的带状畴数目逐渐减少,剩余极化强度、矫顽场和电容值轻微减小,当辐照剂量为5 Mrad(Si)时,剩余极化值、矫顽场和电容值的衰减幅度仅12.4%、10.36%和13.78%;漏电流仅在高剂量辐照后产生轻微增大.可见,PbZr_(0.1)Ti_(0.9)O_3(111)铁电薄膜具有较好的抗辐射能力,在航空航天领域有一定的应用前景.     

PTO种子层对PZT铁电薄膜结晶温度和电学性能的影响

该文采用溶胶-凝胶法(Sol-Gel)在Pt/Ti/SiO_2/Si衬底上制备了PZT和PZT/PTO两种结构的铁电薄膜,通过PTO种子层调控PZT薄膜的微观结构和电学性能.研究发现,加入PTO种子层之后,薄膜的SEM图像呈现出更加致密的形态,晶粒分布较均匀.PZT/PTO铁电薄膜在550℃下退火后测得的剩余极化强度比PZT薄膜650℃下退火获得的剩余极化强度要大,说明种子层的加入降低了薄膜的结晶温度.此外,加入PTO种子层后,PZT铁电薄膜的介电常数升高,介电损耗降低,抗疲劳性能也变好,薄膜的电学性能得到了较好的改善.     

电子束蒸发法制备的Eu掺杂ZnO薄膜的结构及其发光性质

采用电子束蒸发法在蓝宝石衬底上制备了ZnO∶Eu3+薄膜.通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜和光致发光(PL)光谱仪测试了不同退火温度下薄膜结构、形貌以及光致发光谱,分析了薄膜光致发光中的能量传递原理.结果表明:ZnO∶Eu粒子为六角纤锌矿结构,且600℃退火后结晶更好;光致发光谱中Eu3+的特征发光中心波长分别位于617 nm和667 nm,且600℃退火温度下的Eu3+特征发光最强.适当的退火温度可有效形成Eu离子的发光中心.     

(Pb1-xSrx)TiO3系红外敏感铁电陶瓷的研究

通过改变材料组分并掺杂一定浓度的MnO₂,制备了系列(Pb_1-xSr_x)TiO₃(PST)红外敏感铁电陶瓷材料.对其电热性能如介电系数的温谱特性、频谱特性和热释电性能等进行了研究.结果表明,材料的居里温度随组分化学计量比的变化大致成线性关系,每增加mol比1%的Pb,将使居里温度提高约5℃.而随着测试频率的增加,居里温度与温度系数基本不变,但介电常数却略有下降.通过对PST系样品热释电性能的测量,可知材料的热释电系数约在10^-3C/(m²·K)量级.