聽肖永光博士報告的體會

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1、聽肖永光博士報告的體會報告人：肖永光報告時間：2012年12月14日1、報告簡介講座題目：負電容鐵電場效應(yīng)晶體管的電學(xué)性能今天，我們在二教319聽了一場“湘韻”研究生論壇2012第六期的報告，對于肖永光博士的報告很有興趣，在綜合報告中和回來查資料以后，我有一些關(guān)于負電容鐵電場效應(yīng)晶體管的電學(xué)性能這個題目的體會。鐵電場效應(yīng)晶體管也就是鐵電介質(zhì)柵極場效應(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。鐵電場效

2、應(yīng)晶體管是鐵電薄膜和半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的集成，鐵電薄膜的鐵電回滯特性賦予場效應(yīng)晶體管本征的存儲功能。其基本原理是，利用鐵電極化對通道電流進行調(diào)制。鐵電場效應(yīng)晶體管存儲具有非易失性，而且是非破壞性數(shù)據(jù)讀取，它存儲密度高、速度快、能耗低，具有潛在的應(yīng)用前景?；诩{米結(jié)構(gòu)導(dǎo)電通道的鐵電場效應(yīng)晶體管將納米材料獨特的電輸運性質(zhì)和鐵電薄膜的鐵電特性有機地結(jié)合起來，同時，鐵電薄膜還具有非常高的介電常數(shù)，顯著增強門電極與納米結(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)體納米晶具有獨特的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。然而由于其超微尺寸，測量這種單個四針狀半導(dǎo)體納米晶的電輸運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，場效應(yīng)晶體管器件的構(gòu)筑非常困難。因此，如何設(shè)計器件研究方案，通過增強四針狀半導(dǎo)體納米晶與襯底之間的電耦合，來構(gòu)筑基于單個四針狀半導(dǎo)體納米晶的場效應(yīng)晶體管，是一個極具挑戰(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CdS四針狀納米晶的場效應(yīng)晶體管，并在變溫四探針掃描隧道顯微鏡（STM）系統(tǒng)中研究了電輸運性質(zhì)。由于BST鐵電薄膜柵介質(zhì)有效增強了介電耦合，他們首次在這種四針狀半導(dǎo)體納米晶器件中實現(xiàn)了室溫下的場調(diào)制輸運性質(zhì)。同時，BST鐵電薄膜使器件具有本征的鐵電存儲性能：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特性，在液氦溫區(qū)，還進一步觀測到鐵電調(diào)控的單

5、電子晶體管行為，該特性有望用來實現(xiàn)基于單電子過程的鐵電存儲功能。通過變溫電學(xué)測量和對比實驗，揭示了四針狀納米晶電輸運過程的微觀機理，表明其場效應(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針尖測試單個四針狀CdS納米晶鐵電場效應(yīng)晶體管電輸運性質(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)放大的單個納米棒；(d)單個四針狀納米晶場效應(yīng)晶體管SEM圖像；(e)采用STM針尖進行器件測試時的原位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納米晶場效應(yīng)晶體管在不同溫度下的I-V曲線（VG=0V）。（b）四個不同器件在不同溫度下的場效應(yīng)對比。5圖3：單個四針狀CdS納米晶場效應(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)致的典型的逆時針回滯（a）；當(dāng)溫度降低到140K時，鐵電存儲效應(yīng)和缺陷充放電效應(yīng)相互競爭，導(dǎo)致了回滯的閉合（b）；溫度繼續(xù)降低到80K時，鐵電效應(yīng)占主導(dǎo)，表現(xiàn)出了順時針方向的鐵電回滯（c）；進一步降低溫度到8.5K時，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、示了一個分別具有高、低電流的雙穩(wěn)態(tài)。5圖4：單個四針狀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）。鐵電場效應(yīng)晶體管由于其突出的優(yōu)點，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展，但要真正實現(xiàn)FFET存儲器的實用化，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)計與應(yīng)用等方面進行深入的研究。09測控技術(shù)與儀器二班董仲如20097008305