基于AZO/BNT/MgxZn1-xO结构的铁电薄膜晶体管的制备及其界面相互作用研究

铁电场效应晶体管（FFET）存储器是一种非常理想的存储方式，而FFET是其中重要的核心单元。将半导体氧化物引入到FFET中有望获得良好的晶体管特性并且提高保持力。目前，这方面的研究还没有形成公认的材料体系，同时器件的性能仍有待于提高。因此，本课题同时将Mg和Al元素掺杂的ZnO薄膜引入到铁电场效应晶体管中，采用磁控溅射法建立以MgxZn1-xO为沟道层、AZO为电极、BNT为栅介质层的晶体管模型器件；精确控制薄膜的掺杂量、厚度、溅射参数与晶体管电学性能之间的关系；通过改变退火条件，研究BNT薄膜表面氧空位等缺陷的变化规律；再深入分析AZO/BNT/MgxZn1-xO之间的界面态与界面相互作用，结合晶体管电学特性测量，阐明界面效应对铁电场效应晶体管漏电流和保持特性的影响规律。本项目的研究，将为FFET材料和工艺的进一步研究开发及深入理解界面行为规律提供实验和理论依据。

本项目分三年完成。首先，分别采用溶胶-凝胶方法和磁控溅射方法制备了MgxZn1-xO薄膜。研究了Mg掺杂、溅射气氛、衬底温度等条件对MgxZn1-xO薄膜的结构、形貌、光学和电学性能的影响。将制得的MgxZn1-xO薄膜作为晶体管的沟道材料，通过测试器件性能确定了最优的Mg元素掺量及薄膜厚度等信息。其次，采用溶胶-凝胶方法制备了Bi3.25La0.75Ti3O12铁电薄膜，并分别在空气、氧气及氩气下在快速退火炉中快速退火。研究了不同退火条件下薄膜的结晶性能、表面形貌、铁电及疲劳特性的变化。同时，采用X射线光电子能谱表面分析手段，研究了薄膜表面化学状态及氧空位等缺陷的变化规律，得出Bi3.25La0.75Ti3O12铁电薄膜的疲劳特性来源于Bi及Ti元素周围产生的氧空位。最后，采用X射线光电子能谱分析手段对BLT/ZnO界面进行了深度剖析，分析了表面与界面化学组成、化学状态以及可能存在的界面扩散和化学反应。从微观结构上分析探索了界面效应对铁电场效应晶体管电学特性的影响。