基于BNT超薄膜的鐵電隧道結(jié)電致電阻性能研究.pdf

1、鐵電存儲器具有非揮發(fā)性、低功耗、高讀寫速率、高存儲密度、優(yōu)異的抗輻射等優(yōu)點，在電子信息和國防等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前已經(jīng)商業(yè)化的鐵電存儲器主要是基于鐵電電容的電容型存儲器，然而該存儲器具有破壞性讀出等缺點。鐵電隧道結(jié)利用新型的量子隧穿效應(yīng)實現(xiàn)了非破壞性讀出，近年來成為當(dāng)前的國際研究熱點。目前實驗上所制備的鐵電隧道結(jié)基于靜電屏蔽效應(yīng)，不僅要求上下電極不同，而且還存在保持性差和極化翻轉(zhuǎn)困難的缺點。本文用脈沖激光沉積(PLD)方法制

2、備了Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNT)基鐵電隧道結(jié)，探討了BNT薄膜的壓電效應(yīng)對其鐵電隧道結(jié)電致電阻性能的影響，然后進(jìn)一步研究了與Si集成的BNT基鐵電隧道結(jié)電子輸運性能，主要的研究工作與結(jié)果如下：
　　1.基于壓電效應(yīng)的鐵電隧道結(jié)的制備及電致電阻性能
　　采用PLD法在Pt/Ti/SiO2/Si襯底上制備了不同厚度(100nm、35nm、18nm、10nm、7nm、4nm)的BNT薄膜，利用X射線衍射儀(XRD

3、)、壓電力顯微鏡(PFM)對所制備的薄膜的相成分、鐵電性能、壓電性能進(jìn)行了研究；用導(dǎo)電原子力顯微鏡(CAFM)對BNT基鐵電隧道結(jié)的電致電阻性能進(jìn)行了研究。PFM測試結(jié)果表明，隨著薄膜厚度的降低，BNT薄膜的鐵電性能逐漸變?nèi)?，但?nm時仍然具有鐵電性，同時其壓電性能也較好；CAFM測試結(jié)果表明，在鉍層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)BNT薄膜中發(fā)現(xiàn)了隧穿電致電阻(TER)現(xiàn)象，同時也發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)引起的應(yīng)變是BNT基鐵電隧道結(jié)中電阻翻轉(zhuǎn)的重要影響因素，通

4、過控制壓電效應(yīng)引起的應(yīng)變可以獲得較大的TER值。
　　2.與Si集成的鐵電隧道結(jié)的制備及電子輸運性能
　　采用PLD方法在重?fù)诫s的Si襯底上沉積了不同厚度(25nm、13nm、7nm、2nm)的BNT薄膜，利用XRD、原子力顯微鏡(AFM)、鐵電分析儀和半導(dǎo)體測試儀對所制備的BNT薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、鐵電性能、漏電流、疲勞和保持性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，所制備的25nm厚的BNT薄膜的剩余極化強(qiáng)度Pr為6.15μC/cm2，同時

5、具有較低的漏電流、較好的疲勞和保持性能；隨著薄膜厚度的減小，BNT薄膜的矯頑電壓降低，在厚度為2nm時仍然可以測試出電滯回線，其剩余極化強(qiáng)度Pr為3.15μC/cm2。
　　通過PFM測試了25nm和2nm厚的BNT薄膜的電疇結(jié)構(gòu)和壓電回線；用CAFM對BNT基鐵電隧道結(jié)的電子輸運性能進(jìn)行了研究。PFM測試結(jié)果表明，直接生長在Si襯底上厚度為25nm和2nm的BNT超薄膜都具有較好的鐵電性能；CAFM分析結(jié)果表明，25nm厚的BN