铁电栅极调控ZnMgO/ZnO界面二维电子气及其非易失存储应用研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61874112
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    66.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0401.半导体材料
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Ferroelectric gate control of the metal-insulator transition for the two-dimensional electron gas (2DEG) at oxide heterointerfaces opens the door to new-generation ferroelectric non-volatile memory with high scalability and reliability. However, this conceptual device is still elusive due to the non-ideal on/off ratio of channel current and the low electron mobility. To overcome these obstacles, we design the scheme to combine tetragonal BiFeO3 with ZnMgO/ZnO interfacial 2DEG in this project. Tetragonal BiFeO3 has the largest spontaneous polarization among known materials, enabling an electrostatic doping level of the channel far larger than those of the other ferroelectrics. On the other hand, ZnMgO/ZnO holds the mobility record among all the oxide interfacial 2DEG systems, and its electron sheet concentration can be easily tuned within a rather large range. In this project, we aim to find out avenues to improve the electrical performance of ZnMgO/ZnO 2DEG, and plan to disclose the polarization symmetry and the tetragonal-to-rhombohedral structural relaxation route of tetragonal BiFeO3. Based on these studies, we will fabricate model devices of ferroelectric field-effect transistor and explore possible ways to reduce the leakage current of the gate stack. Moreover, it is our ultimate goal to achieve a reversible and efficient control on the on- and off-states of 2DEG channel current by the polarization switching of tetragonal BiFeO3. To conclude, our study not only enables an in-depth understanding on the underlying mechanism of ferroelectric gate modulation of the 2DEG systems, but also paves a possible avenue for the future applications of ferroelectric nonvolatile memories.
通过铁电栅极调控氧化物异质界面二维电子气(2DEG)金属-绝缘转变,打开了通向高集成度、高可靠性的新一代铁电非易失存储器的大门。但是,小的沟道电流开关比和低电子迁移率限制了这一新概念器件的应用。为解决该问题,本项目提出将四方相铁酸铋与ZnMgO/ZnO界面2DEG系统外延集成的研究方案。四方相铁酸铋具有迄今已知最大的极化强度,可实现远大于其它铁电体的沟道静电掺杂浓度。而ZnMgO/ZnO保持着氧化物界面体系的迁移率记录,且其载流子面密度大范围灵活可调。本项目中,我们将探索提高ZnMgO/ZnO界面2DEG电学性能的可行方法,澄清四方相铁酸铋极化对称性,阐明四方-三方结构弛豫规律。在此基础上,构建铁电场效应晶体管原型器件,探寻抑制栅极漏电的途径,通过四方相铁酸铋极化翻转实现沟道电流的高效可逆调控。期望通过项目研究,深入理解铁电栅极调制2DEG的内在机理,为铁电非易失存储器的未来应用奠定基础。

结项摘要

通过铁电栅极调控氧化物异质界面二维电子气(2DEG),为面向非易失存储的新一代铁电场效应晶体管发展提供了可能。但是,由于常用氧化物2DEG室温迁移率不理想及传统铁电体自发极化强度较低,其应用受到很大限制。为解决上述问题,本项目提出将四方相铁酸铋与ZnMgO/ZnO界面2DEG集成的研究方案。四方相铁酸铋具有迄今已知最大的自发极化强度,可对二维沟道实现高达1×10^15/cm^2的静电掺杂浓度。另一方面,ZnMgO/ZnO界面2DEG迁移率远远大于其它的氧化物2DEG系统。通过项目实施,我们提高了ZnMgO/ZnO界面2DEG迁移率,研究了四方相铁酸铋极化对称性,阐明了四方相到三方相的结构弛豫规律。在此基础上,构建了铁电场效应晶体管原型器件,利用四方相铁酸铋极化翻转实现沟道电流的可逆调控。此外,我们实现了大厚度三方相Hf0.5Zr0.5O2外延薄膜与ZnO的外延集成,并利用对称性失配及带电氧空位的引入解释了其稳定存在的原因。此外,我们还证实了将Hf0.5Zr0.5O2/ZnO(ZnMgO/ZnO)体系用于非易失存储器构建的可能性。我们提出了基于氧空位迁移的HfO2基材料非内禀铁电机理,并基于其设计了新型的Si基场效应存储器件。利用该机理,我们成功解释了唤醒(wake-up)、劈裂(split-up)、耐久性差、瞬态负电容等一系列与器件应用密切相关的实验现象。通过项目研究,为高速、高集成度、高可靠性非易失存储器的发展奠定基础。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(6)
Absence of auxeticity in CoFe2O4 epitaxial films
CoFe2O4 外延薄膜缺乏拉胀性
  • DOI:
    10.35848/1347-4065/ac759b
  • 发表时间:
    2022-06
  • 期刊:
    Japanese Journal of Applied Physics
  • 影响因子:
    1.5
  • 作者:
    Yitian Jiang;Xingxing Li;Xingwang Zhang;Yong Cheng;Ling Zhang;Hao Dong;Zhigang Yin;Xin Zhang
  • 通讯作者:
    Xin Zhang
Domain matching epitaxy stabilized metastable, tetragonal BiFeO3 on symmetry-mismatched c-plane ZnO
对称失配 c 面 ZnO 上的域匹配外延稳定亚稳态四方 BiFeO3
  • DOI:
    10.35848/1347-4065/ac45a6
  • 发表时间:
    2021-12
  • 期刊:
    Japanese Journal of Applied Physics
  • 影响因子:
    1.5
  • 作者:
    Yajuan Zhao;Zhigang Yin;Xingxing Li;Maoyuan Zheng;Yong Cheng;Jinliang Wu;Xingwang Zhang
  • 通讯作者:
    Xingwang Zhang
Epitaxial Liftoff of Wafer-Scale VO2 Nanomembranes for Flexible, Ultrasensitive Tactile Sensors
用于柔性超灵敏触觉传感器的晶圆级 VO2 纳米膜的外延剥离
  • DOI:
    10.1002/admt.201800695
  • 发表时间:
    2019-07-01
  • 期刊:
    ADVANCED MATERIALS TECHNOLOGIES
  • 影响因子:
    6.8
  • 作者:
    Li, Xingxing;Yin, Zhigang;You, Jingbi
  • 通讯作者:
    You, Jingbi
Metastable Tetragonal BiFeO3 Stabilized on Anisotropic a-Plane ZnO
各向异性 a 面 ZnO 上稳定的亚稳态四方 BiFeO3
  • DOI:
    10.1021/acs.cgd.1c00278
  • 发表时间:
    2021-08
  • 期刊:
    Crystal Growth & Design
  • 影响因子:
    3.8
  • 作者:
    Y. J. Zhao;Z. G. Yin;X. X. Li;M. Y Zheng;Y. Cheng;J. B. You;J. L. Wu;X. W. Zhang
  • 通讯作者:
    X. W. Zhang
Interface-mediated local conduction at tubular interfaces in BiFeO3–CoFe2O4 nanocomposites
BiFeO3-CoFe2O4 纳米复合材料中管状界面的界面介导局部传导
  • DOI:
    10.1016/j.jallcom.2020.153699
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Journal of Alloys and Compounds
  • 影响因子:
    6.2
  • 作者:
    Yajuan Zhao;Jianguo Li;Zhigang Yin;Xingwang Zhang;Jianfeng Huang;Liyun Cao;Haolin Wang
  • 通讯作者:
    Haolin Wang

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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    孟军华
Ⅲ-Ⅴ族半导体微重力生长研究进展
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    中国科学:物理学 力学 天文学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    尹志岗;张兴旺;吴金良
  • 通讯作者:
    吴金良

其他文献

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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