鐵電薄膜及其存儲(chǔ)器中的疇動(dòng)力學(xué)和微結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、信息存儲(chǔ)是決定信息技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，關(guān)系到國防安全及國計(jì)民生。更高密度、更高存取速度、更低功耗、更多可擦寫次數(shù)、更長保持時(shí)間是存儲(chǔ)器發(fā)展的要求。與常用的閃存相比，鐵電存儲(chǔ)器寫入速度快三個(gè)數(shù)量級(jí)，可讀寫次數(shù)高五個(gè)數(shù)量級(jí)，而功耗僅為千分之一，重要的是還具有優(yōu)異的抗輻射能力。這些獨(dú)特的優(yōu)勢使鐵電存儲(chǔ)器在航空航天、汽車電子等對安全性要求特別高的軍用和民用領(lǐng)域顯示了不可替代的地位，但是存在的失效問題卻限制了其商業(yè)化應(yīng)用。目前，鐵電存儲(chǔ)器主要

2、有兩種類型，即鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和鐵電場效應(yīng)晶體管存儲(chǔ)器。鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器為破壞性讀取信息，這樣對鐵電薄膜的疲勞性能提出了很苛刻的要求，而且還限制了其存儲(chǔ)密度和存取速度的提高，并增大了功耗。鐵電場效應(yīng)晶體管存儲(chǔ)器是為解決上述問題應(yīng)運(yùn)而生的一種比較理想的存儲(chǔ)方式，能夠?qū)崿F(xiàn)非破壞性讀出，而且存儲(chǔ)單元尺寸更小，成為了鐵電存儲(chǔ)器發(fā)展的方向。但要真正達(dá)到實(shí)用化，還存在很多問題需要突破，保持性能失效是急需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。為了解決這些問題，

3、我們必須抓住引起器件失效的物理本質(zhì)。在鐵電器件中，鐵電疇的翻轉(zhuǎn)是其功能特性實(shí)現(xiàn)的物理本質(zhì)，而且鐵電疇的翻轉(zhuǎn)是一個(gè)動(dòng)力學(xué)過程。多年以來關(guān)于鐵電疇動(dòng)力學(xué)及其與失效的關(guān)聯(lián)問題始終沒有研究透徹，其主要原因有兩個(gè)：(1)鐵電薄膜中的微結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系研究不足，一定程度上制約了我們找出結(jié)構(gòu)與性能的內(nèi)在聯(lián)系；(2)鐵電薄膜的性能受到了多種因素的影響，而且很多因素之間本身又存在耦合關(guān)系，因此建立理論模型是深入研究這些因素的關(guān)鍵。
　　基于以上原因

4、，本文旨在鐵電疇翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)的框架下，實(shí)驗(yàn)上從微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的角度找出其內(nèi)在關(guān)聯(lián)，理論上建立鐵電薄膜和器件的多變量耦合理論模型，從而解決鐵電存儲(chǔ)器中的實(shí)際問題。本論文中取得的主要?jiǎng)?chuàng)新性研究結(jié)果總結(jié)如下：
　　1．鐵電薄膜及器件中極化動(dòng)力學(xué)的研究。主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：(1)深入地研究了溫度效應(yīng)對BNT鐵電薄膜極化動(dòng)力學(xué)的影響，提出了界面效應(yīng)及其引起的退極化場是影響疇翻轉(zhuǎn)特性的重要原因。(2)在鐵電器件的框架下研究鐵電疇動(dòng)力學(xué)過

5、程，深刻闡述了鐵電存儲(chǔ)器中鐵電疇翻轉(zhuǎn)與硅表面電荷積累、耗盡與反型的對應(yīng)關(guān)系。(3)利用in-situ TEM手段觀察了鐵電疇弛豫過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在強(qiáng)大的內(nèi)建電場作用下，已經(jīng)翻轉(zhuǎn)的鐵電疇會(huì)發(fā)生回轉(zhuǎn)。我們記錄下發(fā)生背翻轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)過程，并且分析獲得了內(nèi)建電場的數(shù)值。
　　2.鐵電薄膜微結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。包括三個(gè)方面的內(nèi)容：(1)利用STEM研究了BNT鐵電薄膜中的微結(jié)構(gòu)，首次從原子層級(jí)上揭示了層狀鈣鈦礦薄膜中鉍氧層兩邊極化配置。而且觀察

6、到了Nd摻雜的元素分布情況。(2)研究了STO緩沖層對PZT極化保持性能的影響。引入緩沖層以后，PZT/STO界面會(huì)形成大量位錯(cuò)，缺陷的釘扎作用最終使得PZT薄膜的極化保持性能得到改善。(3) PZT中帶電疇壁和鐵電彈疇中的位錯(cuò)微結(jié)構(gòu)觀測。我們利用STEM研究了PZT中90°和180°帶電疇壁微結(jié)構(gòu)及其極化分布。同樣地，還研究了鐵彈疇內(nèi)部的位錯(cuò)對鐵電疇內(nèi)部極化分布的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明鐵彈疇內(nèi)部的位錯(cuò)對提升鐵電性能是有利的。
　　3

7、.鐵電薄膜中的傳導(dǎo)特性及鐵電疇壁的人工連續(xù)調(diào)控研究。針對鐵電極化對鐵電薄膜中隧穿電流的調(diào)控，我們利用in-situ技術(shù)實(shí)時(shí)測量了鐵電疇翻轉(zhuǎn)過程中的電流變化，發(fā)現(xiàn)極化翻轉(zhuǎn)控制的界面勢壘對極化翻轉(zhuǎn)電流的開關(guān)效應(yīng)。結(jié)合PFM和CAFM技術(shù)，研究了PZT薄膜中不同極化方向?qū)Ρ∧ぶ新╇娏鞯恼{(diào)控。此外，基于in-situ TEM技術(shù)，我們實(shí)現(xiàn)了對鐵電疇壁的連續(xù)傾轉(zhuǎn)來改變納米尺度下的鐵電疇的大小，并且結(jié)合PFM和CAFM測量了不同疇翻轉(zhuǎn)程度下對應(yīng)的電