應(yīng)變、退極化和空間電荷對(duì)FeFET電學(xué)性能影響的相場(chǎng)模擬.pdf

1、近年來(lái),鐵電薄膜已經(jīng)成為新型功能材料和微器件研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。使用鐵電薄膜代替普通場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的柵介質(zhì)層而制成的鐵電效應(yīng)晶體管(FeFET)因其非揮發(fā)性存儲(chǔ)、非破壞性讀出、高讀寫速度和低靜態(tài)功耗等優(yōu)勢(shì)成為最有潛力的下一代新型存儲(chǔ)器件之一。鐵電薄膜的性能極容易受到應(yīng)變、退極化場(chǎng)和空間電荷分布等因素的影響。然而,FeFET器件結(jié)構(gòu)決定了FeFET中的鐵電薄膜會(huì)存在較大的應(yīng)變和退極化場(chǎng),以及不均勻的空間電荷分布。因此,開(kāi)展應(yīng)變、退極化和空間電

2、荷對(duì)FeFET電學(xué)性能影響的研究顯得非常必要,這有助于理解鐵電存儲(chǔ)器失效的物理機(jī)制和提高FeFET存儲(chǔ)器的性能。相場(chǎng)理論以基本的熱動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ),在對(duì)鐵電薄膜及器件性能的模擬中可以方便的考慮應(yīng)變、退極化場(chǎng)、空間電荷等因素。因此,本文利用相場(chǎng)方法模擬了不同條件下鐵電薄膜內(nèi)的極化分布及其演變,研究了退極化場(chǎng)、晶格失配應(yīng)變和幾種類型的空間電荷分布對(duì)FeFET電學(xué)性能的影響。主要內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.采用相場(chǎng)理論,基于時(shí)變金茲堡-朗道(

3、TDGL)方程,以極化強(qiáng)度為序參量,模擬了晶格失配應(yīng)變和退極化場(chǎng)對(duì)金屬-鐵電-絕緣層-半導(dǎo)體(MFIS)結(jié)構(gòu)中鐵電層電滯回線的影響。結(jié)果表明,在壓應(yīng)變逐漸變?yōu)閺垜?yīng)變的過(guò)程中,剩余極化和矯頑場(chǎng)逐漸變小;隨著退極化場(chǎng)的增大,剩余極化和矯頑場(chǎng)也逐漸變小;當(dāng)退極化場(chǎng)大到一定程度時(shí),鐵電薄膜不再保持穩(wěn)定的單疇結(jié)構(gòu),而是形成180°條形疇,極化幾乎隨外電場(chǎng)線性變化。
　　2.考慮空間電荷分布導(dǎo)致的內(nèi)建電場(chǎng)的不均勻性,研究了幾種空間電荷分布對(duì)M

4、FIS結(jié)構(gòu)鐵電層電滯回線的影響。結(jié)果表明,對(duì)稱分布(包括均勻分布)的空間電荷導(dǎo)致電滯回線被壓縮,不對(duì)稱的空間電荷分布不僅導(dǎo)致電滯回線偏移還導(dǎo)致其扭曲變形。經(jīng)分析,這些畸化變形的原因是由于電疇翻轉(zhuǎn)過(guò)程中反向疇成核和疇壁移動(dòng)受到內(nèi)建電場(chǎng)的促進(jìn)或阻礙作用引起的。
　　3.在上述模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的基本器件方程,模擬了應(yīng)變、退極化場(chǎng)和空間電荷分布對(duì)MFIS結(jié)構(gòu)的FeFET的C-V特性、輸出特性等電學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,在