研究进展 -- 详细信息  
纳米结构铁电场效应晶体管电输运性质研究取得新进展
作者:SF01课题组
     铁电场效应晶体管是铁电薄膜和半导体场效应晶体管的集成,铁电薄膜的铁电回滞特性赋予场效应晶体管本征的存储功能,其基本原理是,利用铁电极化对通道电流进行调制。铁电场效应晶体管存储具有非易失性,而且是非破坏性数据读取,它存储密度高、速度快、能耗低,具有潜在的应用前景。基于纳米结构导电通道的铁电场效应晶体管将纳米材料独特的电输运性质和铁电薄膜的铁电特性有机地结合起来,同时,铁电薄膜还具有非常高的介电常数,显著增强门电极与纳米结构之间的耦合,大大提高了器件的电学性能。近年来,基于纳米结构铁电场效应晶体管的研究受到重视。
   中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)表面物理实验室SF1组几年来致力于构筑基于纳米结构的铁电场效应晶体管,研究铁电调控下的电输运性质。2009年他们成功构筑了基于碳纳米管的铁电场效应晶体管存储器单元,首次展示了这种非易失存储器件的非破环性读取特性。由于单壁碳纳米管超细尺寸导致电场增强效应,存储器可以在小于1伏的电压下工作。相关研究结果发表在Nano Letters 9,921(2009)上。在此基础上,在一根纳米管上构筑了两个铁电顶栅场效应晶体管,实现了双字节存储功能,该研究结果发表在Nanotechnology 20, 735305 (2009)上。
   最近,该组王文龙副研究员、北京大学王恩哥院士和他的博士生符汪洋与美国橡树岭国家实验室李安平博士等人合作,在单个四针状硫化镉(CdS)纳米晶的铁电调控电输运性质研究方面又取得了重要进展。
   四针状II-VI族半导体纳米晶(nanotetrapod)是一类具有特殊三维立体分支结构的低维纳米体系,其立方结构的“核”与外延生长的六方结构的“臂”之间存在能带偏移(band offset),使得四针状半导体纳米晶具有独特的光学和电学性质。然而由于其超微尺寸,测量这种单个四针状半导体纳米晶的电输运特性具有很大的挑战性,特别是由于三维立体分支结构所导致的空间间隙,使得其与衬底之间的电耦合作用较弱,场效应晶体管器件的构筑非常困难。因此,如何设计器件研究方案,通过增强四针状半导体纳米晶与衬底之间的电耦合,来构筑基于单个四针状半导体纳米晶的场效应晶体管,是一个极具研究兴趣的课题。
   研究人员通过水溶液“湿化学”方法制备了高质量的四针状CdS纳米晶,然后以兼具高介电常数和可调极化方向的钛酸锶(BST)铁电薄膜作为栅介质材料,构筑了基于单个CdS四针状纳米晶的场效应晶体管,并在变温四探针扫描隧道显微镜(STM)系统中研究了电输运性质。由于BST铁电薄膜栅介质有效增强了介电耦合,他们首次在这种四针状半导体纳米晶器件中实现了室温下的场调制输运性质。同时BST铁电薄膜使器件具有本征的铁电存储性能:由于铁电材料所特有的铁电极化特性,四针状CdS纳米晶表现出了可控的铁电存储特性,在液氦温区,还进一步观测到铁电调控的单电子晶体管行为,该特性有望用来实现基于单电子过程的铁电存储功能。通过变温电学测量和对比实验,揭示了四针状纳米晶电输运过程的微观机理,表明其场效应来自于纳米晶的“臂/核/臂”异质结构。有关结果发表在近期的Nano Letters 11,1913(2011)上。
   上述工作得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院的资助。
图1:(a) 采用STM针尖测试单个四针状CdS纳米晶铁电场效应晶体管电输运性质示意图; (b) 水溶液湿化学方法合成的CdS四针状纳米晶TEM图像;(c)放大的单个纳米棒; (d) 单个四针状纳米晶场效应晶体管SEM图像;(e) 采用STM针尖进行器件测试时的原位SEM照片;(f) 四针状纳米晶器件在室温下所表现出的典型的场效应I-VG曲线;(g) 不同门电压下的I-V曲线。
图2:(a) 四针状CdS纳米晶场效应晶体管在不同温度下的I-V曲线(VG = 0 V)。(b)四个不同器件在不同温度下的场效应对比。
图3:单个四针状CdS纳米晶场效应晶体管在不同温度下的典型I-VG回滞曲线,在300 K下,表现出由缺陷充放电效应所导致的典型的逆时针回滞(a);当温度降低到140 K时,铁电存储效应和缺陷充放电效应相互竞争,导致了回滞的闭合(b);温度继续降低到80 K时,铁电效应占主导,表现出了顺时针方向的铁电回滞(c);进一步降低温度到8.5 K时,四针状纳米晶表现出了铁电调控的单电子晶体管行为(d)。图d中红圈表示了一个分别具有高、低电流的双稳态。
图4:单个四针状CdS纳米晶与单根CdS纳米棒器件的电导与温度依赖关系图,Arrhenius拟合给出的活化能分别为52 meV(纳米棒)与78 meV(四针状纳米晶)。

发表于:2011-7-6
 
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