FeFET存儲器用BDT與BYT鐵電薄膜的制備及性能研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，對非揮發(fā)存儲器(如鐵電場效應晶體管FeFET存儲器)的需求與日俱增，從而導致了對新的存儲器材料的研究與探索的熱潮。目前用于制備FeFET的鐵電薄膜材料體系仍以鋯鈦酸鉛(PZT)系為主，PZT薄膜具有一些良好的鐵電性能，如較大的剩余極化(2Pr)值以及較低的熱處理溫度等。然而，PZT薄膜同時具有一些致命的缺點，如抗疲勞性能差，有毒等等。開發(fā)一類新的鐵電材料來取代PZT變得尤為必要。稀有金屬離子摻雜的鈦酸鉍(Bi4Ti3

2、O12，簡寫為BIT)鐵電薄膜材料結(jié)晶溫度較低、抗疲勞特性好、自發(fā)極化較大，所以可望成為新的適用于FeFET器件的鐵電薄膜材料。本文選擇用溶膠-凝膠(Sol-Gel)法在Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)基片上制備了Dy元素和Yb元素摻雜的Bi4Ti3O12薄膜Bi3.4Dy0.6Ti3O12和Bi3.4Yb0.6Ti3O12(分別簡記為BDT和BYT)，并分別對其性能進行了一些研究。
　　 本論文在第一章中對鐵電薄

3、膜的發(fā)展概況、應用前景、制備方法和目前的研究現(xiàn)狀進行了綜述。在此基礎上，給出了本文的選材及研究目的、內(nèi)容。第二章介紹了本文實驗所用的材料以及方法，并就影響實驗結(jié)果的一些主要因素進行了分析。
　　 在第三章和第四章中，分別研究了退火氣氛和退火溫度對BDT薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、鐵電性能及電學性能等性質(zhì)的影響。結(jié)果表明退火氣氛對薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和鐵電性能等都有很大的影響。氮氣中較低溫度650°C 退火的BDT薄膜結(jié)晶完全，顯示良好的鐵電性和抗

4、疲勞特性，而空氣和氧氣中退火的BDT薄膜只有在退火溫度升高到700°C時才顯示較好的結(jié)晶度和鐵電性。所以，與空氣和氧氣相比，氮氣中退火可以大大降低BDT薄膜的結(jié)晶溫度。另外，氮氣、空氣和氧氣中退火的BDT薄膜的表面顆粒平均尺寸隨著退火溫度的升高而增大，鐵電性卻并不是隨著退火溫度單調(diào)增長，而是在到達最佳退火溫度點后，剩余極化值又隨著退火溫度的進一步提高而減小。
　　 第五章研究了Dy元素的含量對BDT薄膜的性能影響，結(jié)論是：Bi3

5、.4Dy0.6Ti3O12薄膜的性能最好。我們認為得出這樣的結(jié)果的原因在于Dy3+離子取代Bi3+離子的位置有差異。當Dy元素的含量在一個適當?shù)姆秶畠?nèi)時，Dy3+離子優(yōu)先取代Bi2O2層的Bi3+離子，而這將破壞鉍層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的對稱性，從而提高BDT薄膜的自發(fā)極化強度(或剩余極化強度)。但是過多的Dy摻雜又會導致Dy3+離子取代位于Bi2Ti3O10結(jié)構(gòu)中的Bi3+離子，這會破壞Bi2Ti3O10的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，從而降低薄膜的自發(fā)極化