金属/铁电薄膜/半导体结构铁电隧道结电输运性能的界面调控

Ferroelectric tunnel junctions have great potential in the application of non-volatile resistive memories with notable advantages: non-destructive readout, giant resistance switching, low operating power, ultra-fast data access and low power consumption. The metal/ferroelectric/semiconductor tunnel junction, proposed in 2013, is regarded as a promising non-volatile memory structure and provides tremendous opportunities for innovation in nanoelectronics. This project focuses on the experimental and theoretical study of metal/ferroelectric/semiconductor tunnel junctions, and observes the influences of the dead layer between the metal and the ferroelectric and the layer between the ferroelectric and the semiconductor on the tunneling electroresistance and the current-voltage characteristics, namely, the interface effect of the metal/ferroelectric/semiconductor tunnel junctions. It aims to reveal the mechanism of the interface in the ferroelectric tunnel junctions, and obtain the methods and means to improve the performance of the tunnel junctions by interface modulation. This project belongs to the cross areas of material and device, and its in-depth study will have great significance for the practical application of nanoscale nonvolatile resistive memories.

铁电隧道结具有非破坏性读出、大电阻转换、低工作电压、超快数据访问、低能耗等优势，因而在非挥发阻性铁电存储方面具有极大的应用潜力。2013年新提出的一个被公认为非常有前途的非易失性结构—金属/铁电薄膜/半导体结构的铁电隧道结，为纳米电子学领域开创了巨大的机遇。本申请项目便以金属/铁电薄膜/半导体结构的铁电隧道结为研究对象，从实验和理论两个方面研究金属/铁电薄膜之间的界面死层以及铁电薄膜/半导体之间的界面层对铁电隧道结隧穿电致电阻和电流-电压特性的影响，即研究金属/铁电薄膜/半导体结构铁电隧道结的界面效应。揭示界面在铁电隧道结中的作用机理，得出通过界面调控，实现改善隧道结性能的方法与手段。本申请项目属于材料和器件的交叉领域，其深入研究对于纳米级非挥发阻性铁电存储器件的实际应用具有重要的意义。

铁电隧道结具有非破坏性读出、高存储密度、大电阻转换、低工作电压、超快数据访问、低功耗等优势，因此具有巨大的应用潜力。作为一个被公认的非常有前途的结构，金属/铁电薄膜/半导体(MFS)结构的铁电隧道结成为研究热点。本项目以金属/铁电薄膜/金属(MFM)和MFS结构的铁电器件为研究对象，从实验和理论两个方面着手研究。实验上(1)制备了Al/P(VDF-TrFE)/NiCr结构的铁电器件，结果表明P(VDF-TrFE)薄膜具有很好的铁电性和热释电性，其铁电剩余极化强度和热释电系数分别为7.1 μC/cm2和27 μC/m2 K。(2)制备了Al/P(VDF-TrFE-CFE)/Al结构的铁电器件，研究了该器件在不同电压和温度下的介电性和铁电性。结果表明随着温度的增加，样品电滞回线逐渐变窄；随着偏压的增大，样品介电常数呈减小趋势。理论上研究了理想MFS结构器件的半导体表面势-电压特性和电容-电压特性，进一步考虑界面捕获态的存在，研究了界面对MFS结构器件半导体表面势-电压特性和电容-电压特性的影响。结果显示随着界面处捕获态密度的增加，半导体表面势-电压曲线和电容-电压曲线均朝电压正方向偏移并发生变形。本项目针对MFM和MFS结构铁电器件展开研究，不仅具有重要的学术价值，而且对非挥发性铁电存储器件的实际应用具有重要的指导意义。