石墨烯薄膜在铁电存储器中的应用研究

摘要

铁电存储器作为一种半导体存储器，具有非易失性、低功耗、读写速度快、抗辐射能力强的优点，它在智能仪表、汽车电子、边缘计算以及航空航天等领域有着广泛的应用。石墨烯是由碳原子按照蜂窝状六边形晶格紧密排列形成的一种新型二维材料，具有非常大的机械强度、出色的热学特性、高透光率以及良好的导电性，被广泛用于电子器件领域中。本文拟研究将石墨烯薄膜作为电极材料用于铁电存储器的可行性。主要研究工作如下：　　首先，使用溶胶-凝胶法制备了PZT铁电薄膜，并以此作为介质制备了不同面积和厚度的铁电电容样品。使用万用表测量了样品的电容，利用Sawyer-Tower法测量了样品的电滞回线。根据测得的电滞回线得到了对称修正后的电滞回线和它的拟合参数。　　其次，将电滞回线的拟合参数用于2T-2C结构的铁电存储单元的仿真和设计，利用CMOS晶体管和铁电电容制作了能实现正确读写的2T-2C结构的铁电存储单元并对其进行了读写测试。从 2T-2C 结构的铁电存储单元的仿真和读写测试结果可知，（1）铁电电容的铁电性越好（它的剩余极化强度越大），铁电存储单元的位线电压差也越大；（2）位线电容与铁电电容要匹配，才能保证存储单元具有最大的位线电压差；如果改变存储单元中铁电电容的大小，则位线电容也要做相应的改变，使两者相匹配。　　然后，在SRAM系统电路的基础上，设计制作了容量为8Bit的铁电存储器，主要包括译码器电路、驱动电路、锁存电路、敏感放大电路以及读写控制电路。对这个铁电存储器的读写测试表明，在读写测试速度约为3.3×105Bit/s时，铁电存储器能实现单元的正确寻址以及数据的正确读写。　　最后，研究了 CVD 法制备的单层石墨烯薄膜的转移、图形化和电极的引出，并将结果用于制作上电极为石墨烯薄膜、下电极为铂电极、介质层为PZT的铁电电容。将带有石墨烯上电极的铁电电容替换 2T-2C 结构铁电存储单元中原来的铁电电容，得到了由石墨烯作为上电极的铁电存储单元。对此存储单元进行的读写测试的结果表明，石墨烯作为铁电存储器的电极材料是可行的，但是会降低铁电存储器的读写速度。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 半导体存储器分类和介绍

1.3 铁电存储器

1.3.1 铁电存储器的应用

1.3.2 铁电存储器的发展

1.3.3 国内外研究现状

1.4.1 基本性质

1.4.2 石墨烯在电子器件领域的应用

1.5 课题研究内容与意义

2 铁电材料

2.1 引言

2.2 铁电材料基本特性

2.3 FRAM用铁电材料的选择

2.4 电滞回线模型

2.5 本章小结

3 PZT铁电电容的制备及其工艺

3.1 PZT薄膜制备方法

3.2 PZT铁电薄膜的制备

3.2.1 前驱体溶液的制备

3.2.2 溶胶的旋涂和热处理

3.3 铁电电容工艺

3.3.1 衬底的制备

3.3.2 下电极制备

3.3.3 PZT薄膜图形化

3.3.4上电极制备

3.4 PZT铁电电容的测量

3.5 电滞回线拟合

3.6 总结

4 铁电存储器单元设计与实现

4.1 引言

4.2 常见的铁电存储器单元结构及原理

4.2.1 1T-1C结构存储单元

4.2.2 2T-2C结构存储单元

4.2.3 链式结构存储单元

4.2.4 FeFET存储单元

4.2.5 存储单元结构的选择

4.3 2T2C结构存储单元整体设计

4.4 敏感放大器

4.5 铁电存储单元位线电压差的仿真与测试

4.6 2T2C结构存储单元读写测试

4.7 本章小结

5 铁电存储器阵列的设计与实现

5.1 SRAM整体结构

5.2 译码模块

5.3 驱动电路

5.4 锁存器

5.5 8Bit铁电存储器的设计

5.6 铁电存储器的测试

5.7 小结

6 石墨烯作为铁电存储器的电极

6.1 石墨烯薄膜的制备方法

6.2 石墨烯薄膜的制备过程

6.3 石墨烯的转移

6.4 石墨烯薄膜的图形化

6.5 石墨烯薄膜电极的引出

6.6 石墨烯电极PZT铁电电容制备

6.7.1 铁电电容电滞回线测试

6.7.2 铁电存储器单元测试

6.8 小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 学位论文数据集

致谢