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本论文研究的主要内容是铁电/高k栅介质一维纳米场效应晶体管(Fieldeffect transistor,FET)的构筑及其性能。我们将碳纳米管的独特优势和铁电薄膜的极化特性相结合,构筑碳纳米管(Carbon nanotube,CNT)基铁电场效应晶体管(Ferroelectric field effect transistor,FeFET),获得了CNT-FeFET的本征存储特性,并发现其具有优良的存储性能;在一根CNT上设计制作了双顶栅FeFET,实现了其基本存储功能;采用具有高介电常数的Bi1.5Zn1.0Nb1.507(BZN)薄膜作为栅极介质,制作了一种适合于柔性应用的高性能纳米线FET。本论文还研究了BZN/Mn掺杂Ba0.6Sr0.4TiO3(Mn-BST)异质结构薄膜的制备及其介电可调性能。主要取得了以下的研究成果:
(1)利用铁电薄膜特有的极化特性,制作了一种基于CNT的FeFET存储器件单元。实验表明,这种存储器具有可控开关、非破坏性读取(Non-destructiveread-out,NDRO)、超低能耗等诸多优点。系统的研究指出,不同于以往基于电荷存储效应的CNT-FET存储器,CNT-FeFET存储器表现出可控的铁电存储特性,从而攻克了CNT-FET性能不可控这一难题。
(2)在上述研究的基础上,采用“两步”脉冲激光沉积(Pulsed laserdeposition,PLD)方法,在一根CNT上“集成”了两个具有项栅结构的FeFET,并实现了其双位的存储功能,在CNT-FET存储器集成化方面向前迈出了一步。
(3)采用PLD方法于100℃在氧化锌(Zinc oxide,ZnO)纳米线上生长了介电常数高达70的BZN非晶薄膜,并将其用作栅介质制作了高性能纳米线FET,它可望用于柔性器件。
(4)用PLD方法制备BZN/Mn-BST异质结构可调薄膜。对大量器件的反复低频测试表明,其可调率达60%,而介电损耗保持在0.5%以内,从而获得了高达120的优质比(=可调率/介电损耗)。这种铁电/高k介质异质结构可调薄膜有望在微波通讯领域得到应用;这部分工作也是本论文铁电/高K栅介质场效应晶体管研究的重要基础。