CN113990974B - 全铁电半导体pn结薄膜器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种全铁电半导体PN结薄膜器件，其自下而上依次包括：衬底、底电极、N型铁电层、P型铁电层和顶电极，或者衬底、底电极、P型铁电层、N型铁电层和顶电极；其中，所述N型铁电层由N型铁电材料形成，所述P型铁电层由P型铁电材料形成。本发明还提供一种制备本发明的全铁电半导体PN结薄膜器件的方法。本发明的全铁电半导体PN结薄膜器件可用于解决现有铁电存储器中数据存在破坏性读取的问题，同时实现了更加优异的电和光对铁电极化状态的非破坏性读取。
Description
技术领域
本发明属于铁电半导体技术领域。具体地，本发明涉及一种全铁电半导体PN结薄膜器件及其制备方法。
背景技术
随着大数据时代的到来，海量数据的处理与存储对存储器的要求越来越高，尤其是对存储器的容量、功耗、读写速度等提出更高要求。铁电材料是一类具有自发极化的特性以及自发极化取向可以在外电场的作用发生改变的材料。不同极化状态分别对应着一个稳态，稳态之间可以相互转换，从而实现数据存储。基于铁电极化能够在电场的作用下可反转的特性，铁电材料可被应用于非易失性随机存储器中。与现有的磁随机存储器件相比，基于铁电材料而制备的铁电随机存储器具有更快的读写速度，更低的功耗和非易失性等特点。铁电存储器因具有以上独特的优势，被认为是有望取代磁存储成为下一代的随机存储器件。
传统铁电随机存储器基于1T1C结构不仅是需要额外的晶体管器件来实现存储单元的选通，而且读取过程是一种破坏性读取，需要提供额外恢复电路恢复原始转态，这势必增大器件功耗。
在金属/铁电体/金属(MFM)电容器件结构中，铁电极化方向改变可以改变器件的电阻值，通过测试器件的电阻态，从而判断极化状态来实现数据的存储，此即为铁电电阻存储器。此外，当一定频率光照射在铁电体上，构成回路会形成光伏信号，铁电极化方向改变可以改变器件的光伏信号，可以调节的开路电压和短路电流。因此可以通过判断开路电压和短路电流的大小或方向就可以判断铁电极化的方向。进而实现对铁电极化的电和光的非破坏性读取。铁电存储数据的非破坏性读取势必将会减小铁电存储器件能耗和增大存储密度，对铁电材料应用于实际应用具有十分重要的意义。
然而现有技术基于单层铁电薄膜存储器件，存在二极管开关比较小和对光吸收能力较弱，这些缺点势必将会影响铁电存储器数据读取，从而不利于实际应用。传统二极管器件和光伏器件均是基于半导体PN结器件，能够获得大的二极管开关比和高光吸收能力。类似如果在铁电材料中能够形成PN结势必有利于克服现有技术中的不足。因此发明一种高开关和高效率光吸收的铁电PN结存储器件更有实用价值。
发明内容
为了克服现有技术的以上缺陷，本发明提供一种新的全铁电半导体PN结薄膜器件。本发明的全铁电半导体PN结薄膜器件可能用于解决现有铁电存储器中数据存在破坏性读取的问题，同时实现了更加优异的电和光对铁电极化状态的非破坏性读取。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的。
一方面，本发明提供一种全铁电半导体PN结薄膜器件，其自下而上依次包括：
衬底、底电极、N型铁电层、P型铁电层和顶电极，或者衬底、底电极、P型铁电层、N型铁电层和顶电极；
其中，所述N型铁电层由N型铁电材料形成，所述P型铁电层由P型铁电材料形成。
优选地，在本发明所述的全铁电半导体PN结薄膜器件中，所述N型铁电材料为BiFeO3(BFO)，所述P型铁电材料为BiFe0.9Zn0.1O3(BFZO)。
优选地，在本发明所述的全铁电半导体PN结薄膜器件中，所述位于所述底电极和顶电极之间的N型铁电层和P型铁电层是按如下位置关系进行布置的：所述N型铁电层位于所述底电极上并且紧邻所述底电极。此时，所形成的铁电半导体PN结薄膜器件具有如下位置关系：
衬底、位于所述衬底上的底电极、位于所述底电极上的由N型铁电材料形成的N型铁电层、位于所述N型铁电层上的由P型铁电材料形成的P型铁电层，以及位于所述P型铁电层上的顶电极。
优选地，在本发明所述的全铁电半导体PN结薄膜器件中，所述位于所述底电极和顶电极之间的N型铁电层和P型铁电层是按如下位置关系进行布置的：所述P型铁电层位于所述底电极上并且紧邻所述底电极。此时，所形成的全铁电半导体PN结薄膜器件具有如下位置关系：
衬底、位于所述衬底上的底电极、位于所述底电极上的由P型铁电材料形成的P型铁电层、位于所述P型铁电层上的由N型铁电材料形成的N型铁电层、以及位于所述N型铁电层上的顶电极。
优选地，在本发明所述的全铁电半导体PN结薄膜器件中，所述衬底由SrTiO3(STO)单晶形成。
优选地，在本发明所述的全铁电半导体PN结薄膜器件中，所述底电极由SrRuO3(SRO)形成。
优选地，在本发明所述的全铁电半导体PN结薄膜器件中，所述顶电极由Au、Pb或Pt形成。
另一方面，本发明提供一种制备本发明的全铁电半导体PN结薄膜器件的方法，其包括如下步骤：
(1)在衬底上制备底电极；
(2)在所述底电极上依次制备由N型铁电材料形成的N型铁电层、由P型铁电材料形成的P型铁电层，以形成PN结；或者，
在所述底电极上依次制备由P型铁电材料形成的P型铁电层、由N型铁电材料形成的N型铁电层，以形成PN结；
(3)在步骤(2)制得的PN结上制备顶电极。
优选地，在本发明所述的方法中，所述N型铁电材料为BiFeO3，所述P型铁电材料为BiFe0.9Zn0.1O3。
优选地，在本发明所述的方法中，所述衬底由SrTiO3单晶形成。
优选地，在本发明所述的方法中，所述底电极由SrRuO3形成。
优选地，在本发明所述的方法中，所述顶电极由Au、Pb或Pt形成。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(1)中的在衬底上制备底电极是通过脉冲激光沉积法制备的。更优选地，所述脉冲激光沉积法是在如下条件下进行的：沉积温度为635～655℃，氧压为5-15Pa。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(2)中的形成PN结是通过脉冲激光沉积法形成的。更优选地，所述脉冲激光沉积法是在如下条件下进行的：沉积温度为635～655℃，氧压为5-15Pa。
优选地，在本发明所述的方法中，所述P型铁电层和所述N型铁电层的厚度各自独立地为100-300nm。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(3)中的顶电极需进一步地退火处理，所述退火处理是在如下条件下进行的：退火温度为300～450℃，退火时间为60～300s。
本发明中所用的N型铁电材料、P型铁电材料可以是市售的，也可以是通过以下方法制备的：首先，采用固相法分别合成N型铁电材料、P型铁电材料靶材；然后，采用脉冲激光沉积法在底电极上通过制得的N型铁电材料靶材、P型铁电材料靶材依次沉积制得N型铁电材料、P型铁电材料。例如，本发明中所用的N型铁电材料BiFeO3、P型铁电材料BiFe0.9Zn0.1O3可以是通过以下方法制备的：首先，采用固相法分别合成BiFeO3靶材、BiFe0.9Zn0.1O3靶材；然后采用脉冲激光沉积法在底电极上通过制得的BiFeO3靶材、BiFe0.9Zn0.1O3靶材依次沉积制得N型铁电材料BiFeO3、P型铁电材料BiFe0.9Zn0.1O3。
在本发明方法的一个优选实施方案中，采用固相法分别合成BiFeO3靶材、BiFe0.9Zn0.1O3靶材是通过包括如下步骤的方法进行的：将Bi2O3和Fe2O3按摩尔比为1.3:1的比例，或者将Bi2O3、Fe2O3和ZnO按摩尔比为1.3:0.9:0.1的比例充分混合，然后进行第一预烧结，随后降至室温并研磨；然后进行第二预烧结，随后降至室温并研磨；然后将研磨得到的粉末压片并煅烧，得到靶材。优选地，所述第一预烧结是在如下条件下进行的：第一预烧结的温度为600-650℃，第一预烧结的时间为2-5h。优选地，所述第二预烧结是在如下条件下进行的：第二预烧结的温度为700-750℃，第二预烧结的时间为2-5h。优选地，所述煅烧是在如下条件下进行的：煅烧的温度为820-840℃，煅烧的时间为30-60min。
根据本发明的方法，所制备得到的P型、N型铁电层均为不含杂相的单晶薄膜且具有良好的铁电性。
在本发明的方法中，本发明人出乎意料地发现，固相法合成多晶陶瓷靶材过程中经过两次预烧结并且两次烧结过程之间需要经过研磨，这样的过程可以使得原材料粉末颗粒更细，有利于得到致密性好的靶材。
不受任何理论限制，在本发明的方法中，采用脉冲激光沉积方法制备薄膜，不仅能够保证所生长薄膜组份与陶瓷靶材成份一致，以获得致密性好的和成份均匀的高质量外延薄膜，还能够保证薄膜不受加热源的污染，避免薄膜受杂质污染；此外生长薄膜厚度可以通过控制激光脉冲数来控制。
在本发明的方法中，选择SRO氧化物导电薄膜作为底电极层，其不仅具有良好导电性，还可能充当铁电BFO薄膜外延生长的缓冲层。这是由于SRO的晶格常数介于铁电BFO薄膜和STO衬底之间，减小了铁电薄膜外延生长的晶格适配度，有利于外延生长。
在本发明的方法中，铁电氧化物薄膜在高温生长过程中容易出现氧不足情况，在薄膜中形成大量氧空位，造成薄膜漏电并难以保证具有良好的铁电性。每个氧空位形成后能够在晶格中提供两个电子，这种电子是一种施主杂质。通过控制生长温度和氧压，制备出含有一定浓度氧空位的BFO铁电薄膜，此薄膜不仅具有良好铁电性，同时导电类型为N型。
在本发明的方法中，通过低价元素掺杂方式来获得P型导电的BFO薄膜，同时掺杂不能影响铁电薄膜铁电性。本发明人出乎意料的发现，通过本发明的方法制得的BiFe0.9Zn0.1O3，具有良好的铁电性。
在本发明的方法中，采用热蒸发技术或者磁控溅射技术进行顶电极制作，金属材料可选择Au，Pb，Pt等。同时借助带小孔的金属掩膜板，可在铁电薄膜表面制作出一系列小圆形的金属电极点阵。金属电极蒸镀完成后，还需要进行退火处理，一般选择快速退火，温度控制在400～450℃，退火时间控制在60～300s。每个小电极均可以与铁电层、底电极一起构成铁电电容结构。
本发明具有如下有益效果：
本发明利用脉冲激光沉积法制备P型铁电层和N型铁电层，并基于此制备全铁电半导体PN结薄膜器件。本发明的全铁电半导体PN结中除了有耗尽层形成的内建电场，还有铁电极化引起的退极化场。退极化场可以通过外加电脉冲实现方向反转，因此纯铁电PN结的内建电场作用效果可以获得调制，最终对整流特性和光伏特性等性质有重要影响。
本发明提供的全铁电半导体PN结薄膜器件可用于铁电逻辑器件、存储器和光电器件领域，可实现对数据的电和光的非破坏性读取，为铁电材料的实际应用提供了可靠的理论价值。
附图说明
图1是本发明的一种具体实施方案的基于全铁电半导体PN结薄膜器件示意图；
图2是本发明的一种具体实施方案的Au/BFZO/BFO/SRO/STO结构全铁电半导体PN结薄膜器件制备流程图；
图3是本发明的一种具体实施方案的Au/BFZO/BFO/SRO/STO结构铁电PN结薄膜器件不同极化状态下薄膜中铁电极化示意图；
图4(a)是本发明实施例1制得的全铁电半导体PN结薄膜器件处在原始状态的IV曲线；
图4(b)是本发明实施例1制得的全铁电半导体PN结薄膜器件处在不同极化状态的IV曲线；
图5是本发明实施例1制得的全铁电半导体PN结薄膜器件在不同极化状态下光伏IV曲线。
图6(a)是本发明实施例2制得的全铁电半导体PN结薄膜器件处在原始状态的IV曲线；
图6(b)是本发明实施例2制得的全铁电半导体PN结薄膜器件处在不同极化状态的IV曲线；
图7是本发明实施例2制得的全铁电半导体PN结薄膜器件在不同极化状态下光伏IV曲线。
图8(a)是对比例2制得的全铁电薄膜器件处在原始状态的IV曲线；
图8(b)是对比例2制得的全铁电薄膜器件处在不同极化状态的IV曲线；
图9是对比例2制得的铁电薄膜器件在不同极化状态下光伏IV曲线；
图10是不同温度下生长的铁电薄膜X射线衍射图谱。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
实施例1
(1)BiFeO3靶材和BiFe0.9Zn0.1O3靶材制备：
将99.9％的Bi2O3和99.9％的Fe2O3按摩尔比为1.3:1秤量总质量为15g粉末，充分混合后于630℃预烧结2h，降至室温后研磨至粉末状，然后于730℃下再次预烧结2h，降至室温后研磨至粉末状。然后，将研磨的粉末经过压片并在830℃煅烧40min，制得BFO靶材。将煅烧完后的靶材用砂纸将表面磨平并用酒精冲洗晾干后留用。
将99.9％的Bi2O3、99.9％的Fe2O3以及99.9％的ZnO按摩尔比为1.3:0.9:0.1秤量总质量为15g粉末，充分混合后于630℃预烧结2h，降至室温后研磨至粉末状，然后于730℃下再次预烧结2h，降至室温后研磨至粉末状。然后，将研磨的粉末经过压片并在830℃先煅烧40min，制得BFZO靶材。将煅烧完后的靶材用砂纸将表面磨平并用酒精冲洗晾干后留用。
(2)衬底的清洁处理：
选取单面抛光、取向为(001)、厚0.5mm、长宽5*5mm的钛酸锶(STO)单晶基片作衬底，依次分别使用丙酮、酒精、丙酮各超声清洗5分钟，去除基片表面杂质，用氮气枪吹干，最后将清洗过的基片用银浆粘附在样品台上并通过80℃加热平台烘烤10分钟并转移到脉冲激光沉积设备之中。
(3)底电极的制备：
在红外测量温度为645℃，氧压为10Pa的条件下，采用脉冲激光沉积方法是高能脉冲激光轰击购买的SRO陶瓷靶材，让SRO原子沉积到(001)取向的STO衬底上制备出厚度为30nm底电极。
(4)铁电BFZO/BFO双层薄膜制备：
保持步骤(3)中温度和氧压不变，继续采用脉冲激光沉积法使高能脉冲激光依次轰击BFO靶材和BFZO靶材，依次分别在底电极上沉积100nm BFO薄膜和100nm BFZO薄膜构成双层铁电膜。
(5)顶电极的制备：
利用热蒸发仪通过带有小孔的掩膜板在铁电薄膜BFZO/BFO上面蒸镀上一层直径为100μm厚度为50nm小金电极点阵作为顶电极。为了保证良好接触，对顶电极进行快速退火处理，退火温度为400℃，退火时间120s。如此，制得全铁电半导体PN结薄膜器件。
实施例2
(1)BiFeO3靶材和BiFe0.9Zn0.1O3靶材制备：同实施例1。
(2)衬底的清洁处理：同实施例1。
(3)底电极的制备：同实施例1。
(4)铁电BFO/BFZO双层薄膜制备：
保持步骤(3)中温度和氧压不变，继续采用脉冲激光沉积法使高能脉冲激光依次轰击BFZO靶材和BFO靶材，依次分别在底电极上沉积100nm BFZO薄膜和100nm BFO薄膜构成双层铁电膜。
(5)顶电极的制备：同实施例1。
本实施例制得的全铁电半导体PN结薄膜器件的铁电二极管性能与实施例1相反。
实施例3
(1)BiFeO3靶材和BiFe0.9Zn0.1O3靶材制备：
将99.9％的Bi2O3和99.9％的Fe2O3按摩尔比为1.3:1秤量总质量为15g粉末，充分混合后于600℃预烧结5h，降至室温后研磨至粉末状，然后于750℃下再次预烧结2h，降至室温后研磨至粉末状。然后，将研磨的粉末经过压片并在820℃煅烧60min，制得BFO靶材。将煅烧完后的靶材用砂纸将表面磨平并用酒精冲洗晾干后留用。
将99.9％的Bi2O3、99.9％的Fe2O3以及99.9％的ZnO按摩尔比为1.3:0.9:0.1秤量总质量为15g粉末，充分混合后于650℃预烧结3h，降至室温后研磨至粉末状，然后于700℃下再次预烧结5h，降至室温后研磨至粉末状。然后，将研磨的粉末经过压片并在840℃先煅烧30min，制得BFZO靶材。将煅烧完后的靶材用砂纸将表面磨平并用酒精冲洗晾干后留用。
(2)衬底的清洁处理：
选取单面抛光、取向为(001)、厚0.5mm、长宽5*5mm的钛酸锶(STO)单晶基片作衬底，依次分别使用丙酮、酒精、丙酮各超声清洗5分钟，去除基片表面杂质，用氮气枪吹干，最后将清洗过的基片用银浆粘附在样品台上并通过80℃加热平台烘烤10分钟并转移到脉冲激光沉积设备之中。
(3)底电极的制备：
在红外测量温度为635℃，氧压为12Pa的条件下，采用脉冲激光沉积方法是高能脉冲激光轰击购买的SRO陶瓷靶材，让SRO原子沉积到(001)取向的STO衬底上制备出厚度为30nm底电极。
(4)铁电BFZO/BFO双层薄膜制备：
保持步骤(3)中温度和氧压不变，继续采用脉冲激光沉积法使高能脉冲激光依次轰击BFO靶材和BFZO靶材，依次分别在底电极上沉积120nm BFO薄膜和120nm BFZO薄膜构成双层铁电膜。
(5)顶电极的制备：
利用热蒸发仪通过带有小孔的掩膜板在铁电薄膜BFZO/BFO上面蒸镀上一层直径为150μm厚度为60nm小金电极点阵作为顶电极。为了保证良好接触，对顶电极进行快速退火处理，退火温度为450℃，退火时间70s。如此，制得全铁电半导体PN结薄膜器件。
本实施例制得全铁电半导体PN结薄膜器件的铁电二极管性能和铁电光伏效应同实施例1。
实施例4
(1)BiFeO3靶材和BiFe0.9Zn0.1O3靶材制备：
将99.9％的Bi2O3和99.9％的Fe2O3按摩尔比为1.3:1秤量总质量为15g粉末，充分混合后于650℃预烧结2h，降至室温后研磨至粉末状，然后于700℃下再次预烧结5h，降至室温后研磨至粉末状。然后，将研磨的粉末经过压片并在840℃煅烧30min，制得BFO靶材。将煅烧完后的靶材用砂纸将表面磨平并用酒精冲洗晾干后留用。
将99.9％的Bi2O3、99.9％的Fe2O3以及99.9％的ZnO按摩尔比为1.3:0.9:0.1秤量总质量为15g粉末，充分混合后于630℃预烧结2h，降至室温后研磨至粉末状，然后于730℃下再次预烧结2h，降至室温后研磨至粉末状。然后，将研磨的粉末经过压片并在830℃先煅烧40min，制得BFZO靶材。将煅烧完后的靶材用砂纸将表面磨平并用酒精冲洗晾干后留用。
(2)衬底的清洁处理：
选取单面抛光、取向为(001)、厚0.5mm、长宽5*5mm的钛酸锶(STO)单晶基片作衬底，依次分别使用丙酮、酒精、丙酮各超声清洗5分钟，去除基片表面杂质，用氮气枪吹干，最后将清洗过的基片用银浆粘附在样品台上并通过80℃加热平台烘烤10分钟并转移到脉冲激光沉积设备之中。
(3)底电极的制备：
在红外测量温度为655℃，氧压为15Pa的条件下，采用脉冲激光沉积方法是高能脉冲激光轰击购买的SRO陶瓷靶材，让SRO原子沉积到(001)取向的STO衬底上制备出厚度为30nm底电极。
(4)铁电BFZO/BFO双层薄膜制备：
保持步骤(3)中温度和氧压不变，继续采用脉冲激光沉积法使高能脉冲激光依次轰击BFO靶材和BFZO靶材，依次分别在底电极上沉积150nm BFO薄膜和150nm BFZO薄膜构成双层铁电膜。
(5)顶电极的制备：
利用热蒸发仪通过带有小孔的掩膜板在铁电薄膜BFZO/BFO上面蒸镀上一层直径为200μm厚度为40nm小金电极点阵作为顶电极。为了保证良好接触，对顶电极进行快速退火处理，退火温度为420℃，退火时间300s。如此，制得全铁电半导体PN结薄膜器件。
本实施例制得全铁电半导体PN结薄膜器件的铁电二极管性能和铁电光伏效应同实施例1。
对比例1
(1)BiFeO3靶材制备：同实施例1。
(2)衬底的清洁处理：同实施例1。
(3)底电极的制备：同实施例1。
(4)铁电BFO单层薄膜制备：
保持步骤(3)中氧压不变，控制温度为625℃，继续采用脉冲激光沉积法使高能脉冲激光轰击BFO靶材，在底电极上沉积100nm BFO薄膜。
对步骤(4)制得的BFO薄膜进行X射线衍射，观察BFO薄膜有无杂相。
对比例2
(1)BiFeO3靶材制备：同实施例1。
(2)衬底的清洁处理：同实施例1。
(3)底电极的制备：同实施例1。
(4)铁电BFO单层薄膜制备：
保持步骤(3)中氧压不变，控制温度为665℃，继续采用脉冲激光沉积法使高能脉冲激光轰击BFO靶材，在底电极上沉积100nm BFO薄膜。
对步骤(4)制得的BFO薄膜进行X射线衍射，观察BFO薄膜有无杂相。
对比例3
(1)BiFeO3靶材制备：同实施例1。
(2)衬底的清洁处理：同实施例1。
(3)底电极的制备：同实施例1。
(4)铁电BFO单层薄膜制备：
保持步骤(3)中温度和氧压不变，继续采用脉冲激光沉积法使高能脉冲激光轰击BFO靶材，在底电极上沉积200nm BFO薄膜。
(5)顶电极的制备：同实施例1。
性能测试实验
采用光电测试系统来表征实施例1、实施例2、对比例3制得的全铁电半导体PN结薄膜器件的性能。该光电测试系统由防静电探针台和Keithley 2400数字源表组成，由软件来控制系统并收集数据。将顶电极和底电极通过探针与测试系统连接到一起。不仅可以提供电压扫描测试，还可以施加脉冲电压。可以通过施加脉冲电压以获取不同极化朝向态，流程参照图3。
1.铁电二极管测试：
图4(a)是本发明实施例1制得的全铁电半导体PN结薄膜器件处在原始状态的IV曲线。如图4(a)所示，对于BFZO/BFO原始状态器件，呈现二极管特性，为正向导通，反向截止。这就进一步证实本发明实施例1制得的全铁电半导体PN结薄膜器件中BFZO/BFO为PN结型薄膜，BFZO为P型，而BFO为N型。
图4(b)是本发明实施例1制得的全铁电半导体PN结薄膜器件处在不同极化状态的IV曲线。图4(b)测试了不同极化状态下IV曲线，极化朝下态为的正向导通二极管，极化朝上态没有观察到明显二极管特性，这样就可以通过+2V小电压读取器件的阻值可以判断极化取向。
图6(a)是本发明实施例2制得的全铁电半导体PN结薄膜器件处在原始状态的IV曲线。如图6(a)所示，对于BFZO/BFO原始状态器件，呈现二极管特性，为反向导通，正向截止。这就进一步证实本发明实施例2制得的全铁电半导体PN结薄膜器件中BFO/BFZO为PN结型薄膜，BFZO为P型，而BFO为N型。
图6(b)是本发明实施例2制得的全铁电半导体PN结薄膜器件处在不同极化状态的IV曲线。图6(b)测试了不同极化状态下IV曲线，极化朝上态为的反向导通二极管，极化朝下态没有观察到明显二极管特性，这样就可以通过-2V小电压读取器件的阻值可以判断极化取向。
图8(a)是本发明对比例3制得的铁电薄膜器件处在原始状态的IV曲线。如图8(a)所示，对于BFO原始状态器件，呈现接近线性。这就进一步证实本发明实施例1-4制得的全铁电半导体PN结薄膜器件中形成了PN结，且BFZO为P型，而BFO为N型。
图8(b)是本发明对比例3制得的铁电薄膜器件处在不同极化状态的IV曲线。图8(b)测试了不同极化状态下IV曲线，极化朝下态为正向导通二极管，极化朝下态为反向导通二极管特性。这就进一步证实本发明实施例1-4制得的全铁电半导体PN结薄膜器件中所形成的PN能够增强二极管开关比。
2.铁电光伏效应测试：
利用波长375nm半导体激光器提供光源，测试了实施例1、实施例2、对比例3制得的全铁电半导体PN结薄膜器件处在不同极化状态下的光伏曲线。
图5是本发明实施例1制得的全铁电半导体PN结薄膜器件在不同极化状态下光伏IV曲线。如图5所示，极化朝上时，开路电压为负值，短路电流为正值；而极化朝下时，开路电压为正值，短路电流为负值；且两种状态下开路电压的大小也不相同。那么就可以通过测量光照下器件开路电压正负值或者大小，就可以判断极化的曲线，实现铁电极化光的非破性读取。
图7是本发明实施例2制得的全铁电半导体PN结薄膜器件在不同极化状态下光伏IV曲线。如图7所示，极化朝上时，开路电压为负值，短路电流为正值；而极化朝下时，开路电压也为负值，短路电流也为正值；但是开路电压的大小不相同。那么就可以通过测量光照下器件开路电压的值，就可以判断极化的曲线，实现铁电极化光的非破性读取。
图9是本发明对比例3制得的铁电薄膜器件在不同极化状态下光伏IV曲线。如图9所示，极化朝上时，开路电压为几乎为0，短路电流也几乎为0；而极化朝下时，开路电压为正值，短路电流也为正值。但是所获得开路电压和短路电流值大小比实施例1和2中要小。这就进一步证实本发明实施例1和2制得的全铁电半导体PN结薄膜器件中所形成的PN能够增强铁电光伏效应。
3.X射线衍射测试：
使用波长为0.154nm X射线，测试了实施例1、对比例1和对比例2中制备的不同温度生长的铁电薄膜的晶格结构。
如图10所示为本发明是实施例1、对比例1和对比例2中制备的不同温度生长的铁电薄膜的X射线衍射图谱。由分析图谱可以发现实施例1中的645℃下生长BFO薄膜没有任何杂相；而对比例1中温度过低(625℃)和对比例2中温度过高(665℃)下生长的BFO薄膜均有杂相。本领域公知，杂相会引起薄膜漏电，使得薄膜的铁电性能变差。
Claims (11)
1.一种全铁电半导体PN结薄膜器件，其自下而上依次包括：
衬底、底电极、N型铁电层、P型铁电层和顶电极，或者衬底、底电极、P型铁电层、N型铁电层和顶电极；
其中，所述N型铁电层由N型铁电材料形成，所述P型铁电层由P型铁电材料形成；
所述N型铁电材料为BiFeO3，所述P型铁电材料为BiFe0.9Zn0.1O3。
2.一种制备权利要求1所述的全铁电半导体PN结薄膜器件的方法，其包括如下步骤：
(1)在衬底上制备底电极；
(2)在所述底电极上依次制备由N型铁电材料形成的N型铁电层、由P型铁电材料形成的P型铁电层，以形成PN结；或者，
在所述底电极上依次制备由P型铁电材料形成的P型铁电层、由N型铁电材料形成的N型铁电层，以形成PN结；
(3)在步骤(2)制得的PN结上制备顶电极；
所述N型铁电材料为BiFeO3，所述P型铁电材料为BiFe0.9Zn0.1O3。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述衬底由SrTiO3单晶形成。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述底电极由SrRuO3形成。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述顶电极由Au、Pb或Pt形成。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述步骤(1)中的在衬底上制备底电极是通过脉冲激光沉积法制备的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述脉冲激光沉积法是在如下条件下进行的：沉积温度为635～655℃，氧压为5-15Pa。
8.根据权利要求2所述的方法，其中，所述步骤(2)中的形成PN结是通过脉冲激光沉积法形成的。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述脉冲激光沉积法是在如下条件下进行的：沉积温度为635～655℃，氧压为5-15Pa。
10.根据权利要求2所述的方法，其中，所述P型铁电层和所述N型铁电层的厚度各自独立地为100-300nm。
11.根据权利要求2所述的方法，其中，所述步骤(3)中的顶电极需进一步地退火处理，所述退火处理是在如下条件下进行的：退火温度为300～450℃，退火时间为60～300s。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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