聽肖永光博士報(bào)告的體會(huì)

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1、聽肖永光博士報(bào)告的體會(huì)報(bào)告人:肖永光報(bào)告時(shí)間:2012年12月14日1、報(bào)告簡(jiǎn)介講座題目:負(fù)電容鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電學(xué)性能今天,我們?cè)诙?19聽了一場(chǎng)“湘韻”研究生論壇2012第六期的報(bào)告,對(duì)于肖永光博士的報(bào)告很有興趣,在綜合報(bào)告中和回來查資料以后,我有一些關(guān)于負(fù)電容鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電學(xué)性能這個(gè)題目的體會(huì)。鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管也就是鐵電介質(zhì)柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體(MFSFET,Metal-Ferroelectric-SemiconductorFET):這是在MOSFET的基礎(chǔ)上,把柵極SiO2絕緣材料更換為高介電常數(shù)的鐵電材料即得。鐵電場(chǎng)效

2、應(yīng)晶體管是鐵電薄膜和半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的集成,鐵電薄膜的鐵電回滯特性賦予場(chǎng)效應(yīng)晶體管本征的存儲(chǔ)功能。其基本原理是,利用鐵電極化對(duì)通道電流進(jìn)行調(diào)制。鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管存儲(chǔ)具有非易失性,而且是非破壞性數(shù)據(jù)讀取,它存儲(chǔ)密度高、速度快、能耗低,具有潛在的應(yīng)用前景?;诩{米結(jié)構(gòu)導(dǎo)電通道的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管將納米材料獨(dú)特的電輸運(yùn)性質(zhì)和鐵電薄膜的鐵電特性有機(jī)地結(jié)合起來,同時(shí),鐵電薄膜還具有非常高的介電常數(shù),顯著增強(qiáng)門電極與納米結(jié)構(gòu)之間的耦合,大大提高了器件的電學(xué)性能。近年來,基于納米結(jié)構(gòu)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的研究受到重視。5四針狀I(lǐng)I-VI族半導(dǎo)體納米晶

3、(nanotetrapod)是一類具有特殊三維立體分支結(jié)構(gòu)的低維納米體系,其立方結(jié)構(gòu)的“核”與外延生長(zhǎng)的六方結(jié)構(gòu)的“臂”之間存在能帶偏移(bandoffset),使得四針狀半導(dǎo)體納米晶具有獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。然而由于其超微尺寸,測(cè)量這種單個(gè)四針狀半導(dǎo)體納米晶的電輸運(yùn)特性具有很大的挑戰(zhàn)性,特別是由于三維立體分支結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的空間間隙,使得其與襯底之間的電耦合作用較弱,場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件的構(gòu)筑非常困難。因此,如何設(shè)計(jì)器件研究方案,通過增強(qiáng)四針狀半導(dǎo)體納米晶與襯底之間的電耦合,來構(gòu)筑基于單個(gè)四針狀半導(dǎo)體納米晶的場(chǎng)效應(yīng)晶體管,是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的

4、課題。研究人員通過水溶液“濕化學(xué)”方法制備了高質(zhì)量的四針狀CdS納米晶,然后以兼具高介電常數(shù)和可調(diào)極化方向的鈦酸鍶(BST)鐵電薄膜作為柵介質(zhì)材料,構(gòu)筑了基于單個(gè)CdS四針狀納米晶的場(chǎng)效應(yīng)晶體管,并在變溫四探針掃描隧道顯微鏡(STM)系統(tǒng)中研究了電輸運(yùn)性質(zhì)。由于BST鐵電薄膜柵介質(zhì)有效增強(qiáng)了介電耦合,他們首次在這種四針狀半導(dǎo)體納米晶器件中實(shí)現(xiàn)了室溫下的場(chǎng)調(diào)制輸運(yùn)性質(zhì)。同時(shí),BST鐵電薄膜使器件具有本征的鐵電存儲(chǔ)性能:由于鐵電材料所特有的鐵電極化特性,四針狀CdS納米晶表現(xiàn)出了可控的鐵電存儲(chǔ)特性,在液氦溫區(qū),還進(jìn)一步觀測(cè)到鐵電調(diào)控的單

5、電子晶體管行為,該特性有望用來實(shí)現(xiàn)基于單電子過程的鐵電存儲(chǔ)功能。通過變溫電學(xué)測(cè)量和對(duì)比實(shí)驗(yàn),揭示了四針狀納米晶電輸運(yùn)過程的微觀機(jī)理,表明其場(chǎng)效應(yīng)來自于納米晶的“臂/核/臂”異質(zhì)結(jié)構(gòu)。5圖1:(a)采用STM針尖測(cè)試單個(gè)四針狀CdS納米晶鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管電輸運(yùn)性質(zhì)示意圖;(b)水溶液濕化學(xué)方法合成的CdS四針狀納米晶TEM圖像;(c)放大的單個(gè)納米棒;(d)單個(gè)四針狀納米晶場(chǎng)效應(yīng)晶體管SEM圖像;(e)采用STM針尖進(jìn)行器件測(cè)試時(shí)的原位SEM照片;(f)四針狀納米晶器件在室溫下所表現(xiàn)出的典型的場(chǎng)效應(yīng)I-VG曲線;(g)不同門電壓下的I

6、-V曲線。圖2:(a)四針狀CdS納米晶場(chǎng)效應(yīng)晶體管在不同溫度下的I-V曲線(VG=0V)。(b)四個(gè)不同器件在不同溫度下的場(chǎng)效應(yīng)對(duì)比。5圖3:?jiǎn)蝹€(gè)四針狀CdS納米晶場(chǎng)效應(yīng)晶體管在不同溫度下的典型I-VG回滯曲線,在300K下,表現(xiàn)出由缺陷充放電效應(yīng)所導(dǎo)致的典型的逆時(shí)針回滯(a);當(dāng)溫度降低到140K時(shí),鐵電存儲(chǔ)效應(yīng)和缺陷充放電效應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng),導(dǎo)致了回滯的閉合(b);溫度繼續(xù)降低到80K時(shí),鐵電效應(yīng)占主導(dǎo),表現(xiàn)出了順時(shí)針方向的鐵電回滯(c);進(jìn)一步降低溫度到8.5K時(shí),四針狀納米晶表現(xiàn)出了鐵電調(diào)控的單電子晶體管行為(d)。圖d中紅圈表

7、示了一個(gè)分別具有高、低電流的雙穩(wěn)態(tài)。5圖4:?jiǎn)蝹€(gè)四針狀CdS納米晶與單根CdS納米棒器件的電導(dǎo)與溫度依賴關(guān)系圖,Arrhenius擬合給出的活化能分別為52meV(納米棒)與78meV(四針狀納米晶)。鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管由于其突出的優(yōu)點(diǎn),一直受到科學(xué)家們極大的關(guān)注。多年來雖在各方面取得了可喜進(jìn)展,但要真正實(shí)現(xiàn)FFET存儲(chǔ)器的實(shí)用化,還有一系列問題需要研究解決,如:鐵電體/半導(dǎo)體界面狀態(tài)的控制、退極化、漏電流與保持力及它們之間的相互關(guān)系等問題。這些問題之間相互關(guān)聯(lián),互為因果,所以要從根本上解決這些問題,還必須從鐵電薄膜材料的選擇、材料的

8、優(yōu)化組合、制備工藝的優(yōu)化、緩沖層的選擇及優(yōu)化組合、電極材料的選擇、FFET結(jié)構(gòu)的選擇及器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用等方面進(jìn)行深入的研究。09測(cè)控技術(shù)與儀器二班董仲如20097008305

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