什么是铁电场效应晶体管？

介绍了铁电场效应晶体管（ffet）的基本结构、存储机制、制作方法，综述其结构设计的改进、铁电薄膜在ffet中应用的进展情况，探讨围绕铁电薄膜材料、过渡层、结构设计、不同成膜方法及工艺对ffet存储特性的影响，对ffet的研究现状和存在的一些问题进行评述。关键词：铁电薄膜；铁电场效应晶体管；

铁电薄膜材料具有良好的铁电性、压电性、热释电性、电光及非线性光学特性，在微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域有广泛的应用前景，成为国际上新型功能材料研究的热点之一。特别是随着铁电薄膜制备技术的一系列突破，成功地制备出性能优良的铁电薄膜，工作电压可在3～5 v，可与si或gaas电路集成，铁电薄膜制备工艺与ic工艺兼容成为可能，极大地促进了铁电薄膜的制备与器件应用研究的发展〔1，2〕。在这些器件中，铁电场效应晶体管（ffet）不仅具有快速开关、高密度、永久性、抗辐射的特点，而且实现非破坏性读出，引起了铁电学家们的极大关注，并进行了广泛的应用基础研究〔3～9〕。本文综合近年来国内外有关铁电场效应晶体管的研究报道，介绍ffet结构、存储原理及铁电材料在ffet中的应用进展。

ffet单元基本结构为mfs-fet结构，即用铁电薄膜取代mos-fet中的栅介质层，利用铁电薄膜的极化状态调制半导体表面状态，从而调制晶体管源、漏极间的导通状态，区别逻辑态“0”和“1”，以达到存储信息的目的。

当大于矫顽场的外加正向电压加在栅极上，铁电薄膜产生正极化，电场指向半导体表面，吸引负的补偿电荷到半导体表面。对于n型硅衬底，表面呈积累态，fet器件处于关断状态。当大于矫顽场的外加负向电压加在栅极上，铁电薄膜产生负的极化，吸引正的补偿电荷到半导体表面，n型硅表面呈耗尽直至反型，此时沟道导通。如果源、漏加上偏压，可产生电流ids。因此，对应于铁电薄膜的正、负极化态，硅表面分别呈积累、反型两种状态，当源、漏施加电压时，fet呈关断和导通两态，铁电薄膜的两个极化状态是同样稳定的，对应的半导体表面稳定，这时ffet的通、断就可实现二进制“0”和“1”的存储，ffet的这种存储机制称为极化型存储〔10〕。如果铁电体/半导体(f/s)界面存在施主和受主界面态，对应正向外加极化电压，沿电场方向运动到界面的负的电荷将被陷于受主界面态，而在硅表面产生正的感应电荷，此时n型硅表面不是积累态而成为耗尽甚至反型，沟道本应关断反而导通。相反，对应负向外加极化电压，沿电场方向运动到界面的正的电荷将被陷于施主界面态，因而在硅表面产生负感应电荷，此时硅表面反而呈积累态，沟道关断。这样，沟道通、断存储的外加极化电压信息就与极化型存储的完全相反，ffet的这种存储机制称为注入型存储〔11〕。两种不同的存储机制对应两种不同的f/s界面状态，其c-v特性是不同的：极化型存储对应的mfs结构p型衬底的c-v曲线回滞方向为顺时针，n型衬底的则为逆时针。而注入型存储对应的c-v曲线回滞方向则完全相反。

其栅极为bi4ti3o12铁电薄膜。这以后很多铁电材料，等均被用作mfs-fet的栅极铁电薄膜材料。但由于f/s之间存在着界面反应和互扩散，测得的c-v曲线一般为电荷注入型〔4,5,12〕，这种注入型存储是不能永久存储的，这是由于铁电薄膜中注入了载流子，与剩余极化电荷全部或部分抵消，这时半导体表面便不会产生诱导电荷，也就失去了使沟道导通或截止的条件，mfs-fet便失去了存储功能。保持时间短成为一个十分严重的问题。2.2mfis-fet为了防止半导体表面载流子向铁电薄膜中注入，许多人采用在铁电薄膜与半导体之间加入过渡层，以减少界面态，实现极化型存储。已有很多文献报道了这方面的工作。通过加入这些过渡层的方法，铁电场效应晶体管的存储特性得到了一定程度的改善，但还没有从根本上解决铁电体/半导体界面、退极化、漏电流和疲劳等直接影响铁电存储器件存储特性的根本问题。2.3全钙钛矿结构的铁电场效应晶体管watanabe等人〔9〕采用plzt和钙钛矿结构的半导体材料（掺sr的la2cuo4），分别作为栅极绝缘体和栅区半导体，在绝缘体基片srtio3（100）上制作了铁电场效应管的原型，据称其信号保持时间可达一月左右。但这种结构的铁电场效应晶体管由于是制作在绝缘体基片上的，所以在与半导体集成电路工艺的兼容性方面存在问题。外延异质结，并由此制作出全钙钛矿结构的铁电场效应晶体管（pzt/lcmo fet），这种全钙钛矿结构由于其f/s界面的结构匹配，对改善界面态，提高保持力有较大潜力。

3铁电薄膜在ffet中的应用

铁薄膜(简称sbto)为层状钙钛矿结构,其晶格常数为a=b=0.39nm,c=2.51nm,sbto铁电薄膜的最大优势在于具有很高的疲劳耐久性,一般109次开关之后仍无疲劳出现,是迄今疲劳物性最好的铁电薄膜材料,其漏电流密度一般低于10-8a/cm2,具有良好的电绝缘性能,成为ffet热点候选材料之一，采用溶液喾法制备的sbto薄膜,其剩余极化强度pr=10×10-6c/cm2,矫顽场强ec=38×103v/cm.p.c.joshi等人[17]的研究表明,当w(bi2o3)超过30%时,所得薄膜性能最好.takashi hayashi等人[18]则对mod方法与sol-gel方法制备sbto薄膜进行了对比研究,表1为其结果.

表1sbto的介电特性（800℃，1 h）