极化调制p-n结电流的高密度铁电二极管存储器

目前商业化非挥发铁电薄膜存储器采用了一个晶体管和一个铁电电容(1T/1C)的存储单元结构以及破坏性的读取方式，限制了器件的高密度集成和可靠性提高。为了克服以上困难，我们提出了基于铁电半导体的p-n结电流进行高密度信息非挥发性存储和非破坏性读取的二极管存储器。该二极管电流具有单向导通特性，其电流大小会随着电畴的重新取向而发生变化。当读电压小于电畴反转电压时，正反方向的p-n结电流比大于100；擦写电压小于5V，最快的擦写时间取决于电畴的最终翻转时间(1-2ps)，可擦写次数取决于电畴的极化疲劳次数。通过极化调制的p-n结电流的存储理念不同于基于缺陷运动所引起的导电通道反复形成或破裂的其他电阻存储器，具有更高的擦写速度和数据存储的可靠性。

非挥发铁电存储器单元采用了一个晶体管和一个铁电电容器(1T1C)的结构,具有数据读写速度快、擦写电压低和读写次数高等优点。但是该存储器采用了电荷积分的读出方法，随着存储密度的提高，每个铁电单元中的读出电荷减少，导致了信号识别困难。为此，我们提出了新型铁电存储器电流读出技术，采用电畴极化方向来调制铁电二极管畴壁电流，从而实现信息的非破坏性读取和器件的高密度集成。在薄膜生长方面，我们控制BiFeO3薄膜的生长氧气压低于10Pa，运用脉冲激光沉积技术生长出铁酸铋薄膜，通过调节生长温度、气压、激光能量等，在SiTiO3、DyScO3 、LaAlO3 等单晶衬底上外延生长具有原子层平整度的SrRuO3、BiFeO3等钙钛矿型氧化物薄膜。在器件集成方面，我们发明了利用铁电薄膜表面产生带电纳米畴壁电流，采用电流读出模式读出存储器所存储的电畴逻辑信息，制备工艺与CMOS工艺兼容，器件单元尺寸可以缩小到50nm以下，读出电流可达1－10nA, 即读出电流密度可达103A/cm2，开关电流比大于100，可擦写次数大于108，读写电压正比于纳米存储单元尺寸，最小可达1.5V。在测量技术研究方面，我们改进了电畴反转速度的测量技术， 采用不同温度下电畴翻转电流和矫顽场变化关系，从电畴反转电流随时间变化曲线中，直接外推出电畴最短反转时间为0.47ps，对应着铁电存储器最短读写时间；证明了以上时间不随电畴成核区域和薄膜厚度的变化，即从试验中证明了电畴成核速度限制了电畴反转速度的模型，为铁电理论的发展作出了重要的贡献。发明了电脉冲测量技术，可以直接测量纳秒量级的电畴翻转电流，然后转化为铁电电滞回线，实时记录在纳秒量级时间范围内铁电电滞回线，完成漏电薄膜的疲劳、保持、印刻效应等测量，电滞回线测量最短时间可以缩短到5ns。