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

1、近年來,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、非破壞性讀出、高讀寫速度和低靜態(tài)功耗等優(yōu)勢成為最有潛力的下一代新型存儲器件之一。鐵電薄膜的性能極容易受到應(yīng)變、退極化場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中的鐵電薄膜會存在較大的應(yīng)變和退極化場,以及不均勻的空間電荷分布。因此,開展應(yīng)變、退極化和空間電

2、荷對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器失效的物理機(jī)制和提高FeFET存儲器的性能。相場理論以基本的熱動力學(xué)為基礎(chǔ),在對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、空間電荷等因素。因此,本文利用相場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、晶格失配應(yīng)變和幾種類型的空間電荷分布對FeFET電學(xué)性能的影響。主要內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.采用相場理論,基于時變金茲堡-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)變和退極化場對金屬-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)變的過程中,剩余極化和矯頑場逐漸變小;隨著退極化場的增大,剩余極化和矯頑場也逐漸變小;當(dāng)退極化場大到一定程度時,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,極化幾乎隨外電場線性變化。
　　2.考慮空間電荷分布導(dǎo)致的內(nèi)建電場的不均勻性,研究了幾種空間電荷分布對M

4、FIS結(jié)構(gòu)鐵電層電滯回線的影響。結(jié)果表明,對稱分布(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)過程中反向疇成核和疇壁移動受到內(nèi)建電場的促進(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、退極化場和空間電荷分布對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