铁电场效应晶体管
发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:1062
王华 于军 周文利 王耘波 谢基凡 周东祥 朱丽丽
摘要:介绍了铁电场效应晶体管(ffet)的基本结构、存储机制、制作方法,综述其结构设计的改进、铁电薄膜在ffet中应用的进展情况,探讨围绕铁电薄膜材料、过渡层、结构设计、不同成膜方法及工艺对ffet存储特性的影响,对ffet的研究现状和存在的一些问题进行评述。
关键词:铁电薄膜;铁电场效应晶体管;存储特性
中图分类号:tn304.9 文献标识码:a
文章编号:1001-2028(2000)02-0019-03
铁电薄膜材料具有良好的铁电性、压电性、热释电性、电光及非线性光学特性,在微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域有广泛的应用前景,成为国际上新型功能材料研究的热点之一。特别是随着铁电薄膜制备技术的一系列突破,成功地制备出性能优良的铁电薄膜,工作电压可在3~5 v,可与si或gaas电路集成,铁电薄膜制备工艺与ic工艺兼容成为可能,极大地促进了铁电薄膜的制备与器件应用研究的发展〔1,2〕。在这些器件中,铁电场效应晶体管(ffet)不仅具有快速开关、高密度、永久性、抗辐射的特点,而且实现非破坏性读出,引起了铁电学家们的极大关注,并进行了广泛的应用基础研究〔3~9〕。本文综合近年来国内外有关铁电场效应晶体管的研究报道,介绍ffet结构、存储原理及铁电材料在ffet中的应用进展。
1 ffet基本结构及存储机制
ffet单元基本结构为mfs-fet结构,即用铁电薄膜取代mos-fet中的栅介质层,利用铁电薄膜的极化状态调制半导体表面状态,从而调制晶体管源、漏极间的导通状态,区别逻辑态“0”和“1”,以达到存储信息的目的。如图1所示。
图1 n沟道ffet基本结构示意
当大于矫顽场的外加正向电压加在栅极上,铁电薄膜产生正极化,电场指向半导体表面,吸引负的补偿电荷到半导体表面。对于n型硅衬底,表面呈积累态,fet器件处于关断状态。当大于矫顽场的外加负向电压加在栅极上,铁电薄膜产生负的极化,吸引正的补偿电荷到半导体表面,n型硅表面呈耗尽直至反型,此时沟道导通。如果源、漏加上偏压,可产生电流ids。因此,对应于铁电薄膜的正、负极化态,硅表面分别呈积累、反型两种状态,当源、漏施加电压时,fet呈关断和导通两态,铁电薄膜的两个极化状态是同样稳定的,对应的半导体表面稳定,这时ffet的通、断就可实现二进制“0”和“1”的存储,ffet的这种存储机制称为极化型存储〔10〕。
如果铁电体/半导体(f/s)界面存在施主和受主界面态,对应正向外加极化电压,沿电场方向运动到界面的负的电荷将被陷于受主界面态,而在硅表面产生正的感应电荷,此时n型硅表面不是积累态而成为耗尽甚至反型,沟道本应关断反而导通。相反,对应负向外加极化电压,沿电场方向运动到界面的正的电荷将被陷于施主界面态,因而在硅表面产生负感应电荷,此时硅表面反而呈积累态,沟道关断。这样,沟道通、断存储的外加极化电压信息就与极化型存储的完全相反,ffet的这种存储机制称为注入型存储〔11〕。
两种不同的存储机制对应两种不同的f/s界面状态,其c-v特性是不同的:极化型存储对应的mfs结构p型衬底的c-v曲线回滞方向为顺时针,n型衬底的则为逆时针。而注入型存储对应的c-v曲线回滞方向则完全相反。
2 几种ffet结构类型
2.1 mfs-fet 王华 于军 周文利 王耘波 谢基凡 周东祥 朱丽丽 摘要:介绍了铁电场效应晶体管(ffet)的基本结构、存储机制、制作方法,综述其结构设计的改进、铁电薄膜在ffet中应用的进展情况,探讨围绕铁电薄膜材料、过渡层、结构设计、不同成膜方法及工艺对ffet存储特性的影响,对ffet的研究现状和存在的一些问题进行评述。 铁电薄膜材料具有良好的铁电性、压电性、热释电性、电光及非线性光学特性,在微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域有广泛的应用前景,成为国际上新型功能材料研究的热点之一。特别是随着铁电薄膜制备技术的一系列突破,成功地制备出性能优良的铁电薄膜,工作电压可在3~5 v,可与si或gaas电路集成,铁电薄膜制备工艺与ic工艺兼容成为可能,极大地促进了铁电薄膜的制备与器件应用研究的发展〔1,2〕。在这些器件中,铁电场效应晶体管(ffet)不仅具有快速开关、高密度、永久性、抗辐射的特点,而且实现非破坏性读出,引起了铁电学家们的极大关注,并进行了广泛的应用基础研究〔3~9〕。本文综合近年来国内外有关铁电场效应晶体管的研究报道,介绍ffet结构、存储原理及铁电材料在ffet中的应用进展。 1 ffet基本结构及存储机制 ffet单元基本结构为mfs-fet结构,即用铁电薄膜取代mos-fet中的栅介质层,利用铁电薄膜的极化状态调制半导体表面状态,从而调制晶体管源、漏极间的导通状态,区别逻辑态“0”和“1”,以达到存储信息的目的。如图1所示。 图1 n沟道ffet基本结构示意 当大于矫顽场的外加正向电压加在栅极上,铁电薄膜产生正极化,电场指向半导体表面,吸引负的补偿电荷到半导体表面。对于n型硅衬底,表面呈积累态,fet器件处于关断状态。当大于矫顽场的外加负向电压加在栅极上,铁电薄膜产生负的极化,吸引正的补偿电荷到半导体表面,n型硅表面呈耗尽直至反型,此时沟道导通。如果源、漏加上偏压,可产生电流ids。因此,对应于铁电薄膜的正、负极化态,硅表面分别呈积累、反型两种状态,当源、漏施加电压时,fet呈关断和导通两态,铁电薄膜的两个极化状态是同样稳定的,对应的半导体表面稳定,这时ffet的通、断就可实现二进制“0”和“1”的存储,ffet的这种存储机制称为极化型存储〔10〕。 2 几种ffet结构类型 2.1 mfs-fet 上一篇:吹尽黄沙始见金 上一篇:LTCC基板与封装的一体化制造
y.s.wu〔3〕在1974年制作了第一个mfs-fet,其栅极为bi4ti3o12铁电薄膜。这以后很多铁电材料,如bamgf4,(ba,sr)tio3,pb(zr,ti)o3等均被用作mfs-fet的栅极铁电薄膜材料。但由于f/s之间存在着界面反应和互扩散,测得的c-v曲线一般为电荷注入型〔4,5,12〕,这种注入型存储是不能永久存储的,这是由于铁电薄膜中注入了载流子,与剩余极化电
荷全部或部分抵消,这时半导体表面便不会产生诱导电荷,也就失去了使沟道导通或截止的条件,mfs-fet便失去了存储功能。保持时间短成为一个十分严重的问题。
关键词:铁电薄膜;铁电场效应晶体管;存储特性
中图分类号:tn304.9 文献标识码:a
文章编号:1001-2028(2000)02-0019-03
如果铁电体/半导体(f/s)界面存在施主和受主界面态,对应正向外加极化电压,沿电场方向运动到界面的负的电荷将被陷于受主界面态,而在硅表面产生正的感应电荷,此时n型硅表面不是积累态而成为耗尽甚至反型,沟道本应关断反而导通。相反,对应负向外加极化电压,沿电场方向运动到界面的正的电荷将被陷于施主界面态,因而在硅表面产生负感应电荷,此时硅表面反而呈积累态,沟道关断。这样,沟道通、断存储的外加极化电压信息就与极化型存储的完全相反,ffet的这种存储机制称为注入型存储〔11〕。
两种不同的存储机制对应两种不同的f/s界面状态,其c-v特性是不同的:极化型存储对应的mfs结构p型衬底的c-v曲线回滞方向为顺时针,n型衬底的则为逆时针。而注入型存储对应的c-v曲线回滞方向则完全相反。
y.s.wu〔3〕在1974年制作了第一个mfs-fet,其栅极为bi4ti3o12铁电薄膜。这以后很多铁电材料,如bamgf4,(ba,sr)tio3,pb(zr,ti)o3等均被用作mfs-fet的栅极铁电薄膜材料。但由于f/s之间存在着界面反应和互扩散,测得的c-v曲线一般为电荷注入型〔4,5,12〕,这种注入型存储是不能永久存储的,这是由于铁电薄膜中注入了载流子,与剩余极化电
荷全部或部分抵消,这时半导体表面便不会产生诱导电荷,也就失去了使沟道导通或截止的条件,mfs-fet便失去了存储功能。保持时间短成为一个十分严重的问题。
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