[发明专利]全铁电半导体PN结薄膜器件及其制备方法

说明书

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。

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BiFe_0.9Zn_0.1O₃(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：