晶粒取向和晶界对FeFET电学性能影响的相场模拟

摘要

铁电场效应晶体管(FeFET)存储器因其低功耗、高读写速度、非挥发性、抗辐射、高集成度和非破坏性读出等优点，被认为是最有潜力的下一代存储器之一。铁电薄膜作为 FeFET存储器的核心部分，其性能决定了铁电存储器工作的可靠性。相比单晶铁电薄膜，多晶铁电薄膜要更容易制备，且多晶铁电薄膜在实验与实际应用中更为广泛。所以，对多晶铁电薄膜的模拟及其电学性能研究尤为必要。首先，晶粒取向分布和晶界厚度对多晶铁电薄膜的铁电性能具有一定的影响，进而会对多晶铁电薄膜的电学性能产生重要影响。其次，多晶铁电薄膜晶界处存在电荷聚集，将导致内建电场的产生，对多晶铁电薄膜的性能会产生影响。本文以金属/铁电/绝缘体/硅(MFIS)结构的 FeFET为研究对象，运用相场方法结合金属/氧化物/半导体(MOS)场效应晶体管的基本器件方程，建立了 FeFET的电学性能研究模型，主要研究了BaTiO3多晶铁电薄膜的晶粒取向和晶界对其FeFET电学性能的影响，具体研究内容和结果如下：
　　(1)建立了多晶铁电薄膜的相场模型，研究了晶粒取向分布和晶界厚度等因素对多晶铁电薄膜铁电性能的影响。结果表明：晶粒取向的随机分布会导致BaTiO3多晶铁电薄膜的剩余极化减小，矫顽场减小；晶界会导致BaTiO3多晶铁电薄膜矫顽场的减小，随着晶界厚度的增加，BaTiO3多晶铁电薄膜的剩余极化逐渐减小。
　　(2)利用所建立的多晶铁电薄膜的相场模型基础，考虑晶界处的电荷聚集，研究了晶界处电荷聚集对多晶铁电薄膜铁电性能的影响。结果表明：晶界处电荷聚集会在晶粒内部形成内建电场，影响 BaTiO3多晶铁电薄膜的畴结构和畴变过程；随着电荷聚集强度的增大，铁电薄膜的剩余极化逐渐减小，矫顽场逐渐减小。
　　(3)将多晶铁电薄膜的相场模型与标准 MOS场效应晶体管的基本器件方程相结合，研究了晶粒取向、晶界厚度和晶界处电荷聚集等因素对 FeFET电学性能的影响。结果表明：晶粒取向的随机分布会导致 FeFET的剩余极化减小，存储窗口减小，开态源漏电流Ids减小，关态源漏电流Ids增大；随着晶界厚度的增加，FeFET的剩余极化逐渐降低，存储窗口减小，开态源漏电流 Ids减小，关态源漏电流 Ids增大；随着晶界处电荷聚集强度的增大，FeFET的剩余极化逐渐降低，存储窗口逐渐减小，开态源漏电流Ids逐渐减小，关态源漏电流Ids逐渐增大。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 多晶铁电薄膜

1.2 铁电存储器概述

1.3 铁电材料的研究方法

1.4 本论文的选题依据和主要内容

第2章 晶粒取向和晶界厚度对多晶铁电薄膜铁电性能的影响

2.1 多晶铁电薄膜的相场模型

2.2 晶粒取向对多晶铁电薄膜铁电性能的影响

2.3 晶界厚度对多晶铁电薄膜铁电性能的影响

2.4 本章小结

第3章 晶界处电荷聚集对多晶铁电薄膜铁电性能的影响

3.1 晶界处电荷聚集的引入

3.2 电荷聚集对多晶铁电薄膜性能影响的模拟方法

3.3 电荷聚集对多晶铁电薄膜铁电性能的影响

3.4 本章小结

第4章 晶粒取向和晶界对FeFET电学性能的影响

4.1 MFIS结构FeFET的模型建立

4.2 晶粒取向对FeFET电学性能的影响

4.3 晶界厚度对FeFET电学性能的影响

4.4 晶界处电荷聚集对FeFET电学性能的影响

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间所取得的成果