半導體行業(yè)發(fā)展迅速,晶體管的特征尺寸遵循摩爾定律呈指數(shù)級降低,從微米量級到如今納米量級,但進一步發(fā)展受到了其本身內(nèi)在限制。由于二氧化釩(VO_2)的可逆相變特性,近些年研究者提出了基于VO_2的莫特轉(zhuǎn)變場效應(yīng)管。目前對于VO_2場效應(yīng)管的研究已經(jīng)取得一些成果但還存在較多挑戰(zhàn)和阻礙,如采用SiO_2、TiO_2等作為柵極絕緣層的器件調(diào)制性較差,離子液體柵極調(diào)制性良好但在空氣中極易失效,不利于器件化應(yīng)用。為了解決上述問題,本課題嘗試采用VO_2作為溝道材料,引入高介電性能的鋯鈦酸鉛(PZT)鐵電薄膜作為柵極絕緣材料構(gòu)建場效應(yīng)管器件結(jié)構(gòu),并對器件的輸出性能和相變調(diào)控作用展開研究。針對前期的結(jié)果探索采用轉(zhuǎn)移法構(gòu)建VO_2器件。在硅片上通過脈沖激光法制備VO_2薄膜時,研究了沉積氣氛、退火工藝對VO_2薄膜的影響,通過表征測試得到的VO_2薄膜相變性能良好,相變性能和循環(huán)穩(wěn)定性良好。在此基礎(chǔ)上實驗了轉(zhuǎn)移VO_2薄膜至PZT襯底,結(jié)果表明可行性較差。因此考慮研究直接生長法,通過對比研究了三種方法在PZT上直接沉積VO_2薄膜的物相、相變性能、薄膜形貌以及安全性等,結(jié)果表明通過脈沖激光法制備出結(jié)構(gòu)致密、相變性能良好、并且循環(huán)穩(wěn)定性良好的VO_2薄膜,為器件的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ),并且這一實驗方法也適用于其他薄膜器件的研制。通過電子束曝光和金屬蒸鍍,成功研制基于VO_2/PZT/Nb-STO的場效應(yīng)器件,并對器件的調(diào)制性能和相變調(diào)控性能進行了測試。實驗結(jié)果表明VO_2器件的輸出特性良好,具備明顯的柵壓調(diào)制效應(yīng),在較低的柵極偏壓下器件的調(diào)制比達到了80%以上,并且響應(yīng)迅速無時間滯后效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上研究了柵絕緣層PZT薄膜的厚度對器件性能的影響,200 nm厚度的PZT的漏電流小并且調(diào)制性能最好。隨后研究了場效應(yīng)調(diào)制對VO_2材料的相變溫度的影響,其中絕緣相態(tài)時電阻下降明顯,溫度滯后變窄,但對相變溫度點的變化影響較小。同時也對相變機制進行了初步的解釋,主要是通過柵極偏壓影響晶體結(jié)構(gòu)中的離子移動,導致電子濃度增加從而影響VO_2的電導率變化。通過采用高介電常數(shù)的PZT材料作為柵絕緣層,在較低電壓下能提供更強的電場效應(yīng),使得最終器件的調(diào)制效果優(yōu)于其他材料的效果,并且克服了離子液體柵不易于器件化的阻礙,為VO_2場效應(yīng)管的器件化奠定了基礎(chǔ)。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN386
【部分圖文】：

圖 1-1 VO2的 MIT 相變[17]相變機理的 MIT 相變的物理機理主要分為三種：電子的 Mott-like 轉(zhuǎn)換；晶格失真機理[23-25]，即

圖 1-2 VO2相變過程中原子結(jié)構(gòu)的變化[27]（a）300 K（b）340.8 K（c）344 K（d）扭轉(zhuǎn)角隨著溫度的變化（e）電阻隨著溫度的變化氧化釩的相變特性

二氧化釩電阻隨溫度變化曲線
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本文編號：2880231