锆钛酸铅铁电薄膜畴壁导电的相场理论研究

铁电材料中的畴壁因具有不同于电畴内部的能量及极化分布情况而具有特殊的电磁性能.随着电镜技术的发展,铁电薄膜畴壁的导电性日益受到广大科研工作者的关注.畴壁导电是指在绝缘的铁电体材料中,在一定条件下畴壁充当导体传导电流.此传导电流不同于畴结构发生翻转时产生的位移电流.目前越来越多的实验已经探测到多种铁电材料畴壁中的传导电流,但其导电机理在理论上一直没有达成共识.该文采用相场理论模拟二维铁电薄膜的畴壁,通过在薄膜表面施加均匀电场,构造180°畴壁,然后在畴壁处加载局部电压,从理论上研究畴壁的导电性.结果发现:由于电场的施加,畴壁处电势比畴内电势高,载流子聚集在畴壁处;在畴壁处加载局部电压得到电流,畴壁处的电流值随着加载的局部电压值增大而增大.     

新型低维铁电材料及其器件

低维铁电薄膜是一种得到广泛研究的铁电存储器的核心材料，其利用自发极化这一本征特性来实现信息存储铁电材料的极化方向在外加电场作用下以超快速度进行切换，切换后的电畴具有保持特性利用该原理的新型存储技术可以实现高速、低功耗、非破坏性读取以及超高密度存储传统铁电材料受到临界尺寸限制，即随厚度减薄到极限尺寸后材料失去铁电特性，为此发展了大量的新型二维铁电薄膜，突破了以上临界尺寸的限制，为未来集成通用存储器带来了希望该文综述了铁电材料相关背景及研究理论；报道了低维铁电钙钛矿薄膜畴壁电流相关研究以及基于第一性原理的二维铁电材料理论研究和实验论证；阐述了基于这些新型低维铁电材料的铁电畴壁存储器，基于氧化铪的铁电场效应晶体管，以及铁电二极管的工作原理；总结了低维铁电材料及其器件这一崭新领域目前所面临的挑战，以及对未来进行了展望     

晶粒间交互作用对铁电薄膜畴结构和翻转性能的影响

非易失性铁电存储器由于具备一系列优良的特性被视为最具有潜力的存储器之一.实验上制备出的铁电材料多为多晶材料,并且晶粒取向、晶粒大小分布不均匀,而这些因素都会影响材料的铁电性能.前人在关于多晶铁电材料的研究上做出了很多贡献,但晶粒间相互影响的内在机理还不明晰.该文建立了多晶铁电薄膜的相场模型,研究了某一晶粒取向的改变对其他晶粒以及整个薄膜材料畴结构和畴翻转性能的影响,进一步探讨了晶粒间的交互作用.结果表明,随着晶粒取向的改变,晶粒内部畴结构会发生相应的旋转,并且其左右相邻的晶粒畴结构会随之发生旋转.另外,由于长程电交互作用的影响,在外加周期电场情况下,左右相邻的晶粒边界处极化方向会趋于一致.而当其他晶粒取向为0°,薄膜右下角晶粒取向从0°不断增大至90°时,薄膜的剩余极化和矫顽场不断增大,特别是晶粒取向差异较大时会导致顽固的印记失效现象,并且无法通过增强外加电场消除,因此,在实验上应该避免大的取向差异,同时保留一定的取向差异以获得更大的剩余极化.     

钇掺杂氧化铪薄膜的铁电与非线性光学性能研究

铁电材料在铁电动态随机储存器、铁电场效应晶体管、铁电隧穿结和负电容器件等领域得到研究者的广泛关注近年来，铁电二氧化铪(HfO2)材料由于具有CMOS兼容性、高介电常数、宽带隙等特点成了研究热点该文使用脉冲激光沉积技术制备了钇掺杂铁电二氧化铪（HYO）并研究了其铁电和疲劳特性，指出薄膜的疲劳是由束缚在浅势阱中的注入载流子造成的畴壁钉扎效应引起进一步研究了60Co γ 射线对HYO薄膜铁电存储性能的影响，发现薄膜的抗辐照能力优于传统的铁电材料最后，研究了基于HYO薄膜的非线性光学效应，计算出的HYO薄膜的二阶非线性系数为χ(2)=（6.0±0.5） pm/V这些研究为铁电HfO2薄膜在存储和非线性光学领域的应用奠定了基础     

TiN/HZO/HfO_2/Si铁电晶体管栅结构的~(60)Coγ射线总剂量辐射效应

该文制备了TiN/Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_2(HZO)/HfO_2/Si (MFIS)型的铁电晶体管栅结构,并在常规实验环境下对其进行了P-E、J-E、疲劳和保持等的电学性能测试.结果表明这种基于铪系氧化物的栅结构具有优良的电学性能,2P_r可达30μC/cm~2,2E_c约为6.8 MV/cm,矫顽场附近的漏电流密度为10~(-6)A/cm~2,在10~(5 )s保持时间内剩余极化值衰减10%,经10~7次翻转后剩余极化值基本保持不变,经10~9次翻转后剩余极化值的衰减维持在15%以内.MFIS铁电栅的~(60)Coγ射线电离辐射实验结果表明这种栅结构对总剂量电离辐射具有很强的免疫力,在辐射剂量高达5 Mrad(Si)时,电滞回线矩形度、对称性以及保持性能等几乎没有退化.该文所制备的全铪系薄膜铁电栅为高抗总剂量辐射、高读写寿命、长保存时间的高性能晶体管型铁电存储器的制备提供了数据支撑.     

新型低维铁电材料研究进展

能够通过外部电场来调控极化的铁电材料可用于非易失性存储器、场效应晶体管和传感器等领域为了提高器件集成效率与性能，器件的小型化日趋重要，因此铁电薄膜的制备获得了广大学者的关注但是，对于传统铁电薄膜，尺寸效应和表面效应的存在抑制了其发展2004年石墨烯的发现预示着维度降低会引发一些不同于块材的新的特性从此，石墨烯逐步引领大家走向二维材料的世界，掀起了二维铁电材料的研究热潮二维铁电发展至今，已经涌现出了不少既被理论预言又被实验验证的体系，如范德瓦尔斯层状材料、铁电金属、传统低维或表面铁电薄膜、（共价）功能化铁电材料等一系列各具特色的新型铁电材料该文先介绍了铁电物理中的一些最基本的概念、研究理论以及研究方法，然后综述了低维铁电材料在近年来的发展，最后对该领域今后的发展进行了展望     

铁电场效应晶体管及其反相器的TCAD模拟研究

以铁电场效应晶体管(Ferroelectric Field Effect Transistor, FeFET)为存储单元的铁电存储器具有低功耗、高密度、高速度、抗辐射和非挥发性等优点,在航空航天以及民用消费电子中都有广阔的应用前景.但是,对于由FeFET构成的同时具有逻辑功能与存储功能的门电路(Ferroelectric Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, FeCMOS),目前的研究工作还相对较少.用FeCMOS作为铁电存储器的外围读写电路,理论上可以大大增强其抗辐射能力.因此,该文以金属-铁电层-绝缘层-半导体(Metal gate-Ferroelectric layer-Insulation layer-Semiconductor, MFIS)结构的FeFET为研究对象,利用TCAD (Technology Computer Aided Design)软件中的器件电学性能仿真模块,在不同器件参数下对FeFET及其构成的FeCMOS反相器进行了细致的电学性能模拟仿真.     

与CMOS后端工艺高度兼容的Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_2铁电电容的制备和性能研究

最近,在氧化铪薄膜材料中掺杂适量元素发现了铁电性,因为氧化铪薄膜材料与传统的钙钛矿结构铁电材料相比具有可微缩性化、较大的矫顽电场、与CMOS后端工艺高度兼容等优势,从而引起了广泛的关注.该文对应用于铁电场效应晶体管(FeFET)的存储介质Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_2(HZO)基铁电薄膜的制备进行了研究.采用原子层沉积法(ALD)制备HZO基铁电薄膜,研究了不同厚度(9 nm、19 nm、29 nm)、不同顶电极(TaN、Pt),以及不同退火温度(450～750℃)对HZO铁电薄膜的铁电性能的影响.结果表明,选用TaN作为上电极,退火温度为550℃时,19 nm厚氧化铪铁电薄膜表现出更加优异的铁电性能.同时,表征了HZO铁电薄膜的保持和疲劳性能,以及HZO铁电薄膜在高低温环境下的稳定性.     

HfO2基铁电薄膜在循环电场 载荷下的极化翻转行为

二氧化铪（HfO2）铁电薄膜具有优秀的CMOS工艺兼容性，10 nm以下工艺制程的微缩能力，可采用原子层沉积（ALD）技术实现在3D电容器结构中的保型生长，因此在实现低功耗、高集成密度的非易失性存储器应用方面显示出巨大的潜力该文首先简要回顾了HfO2基铁电薄膜的发现过程和随后的国内外研究现状，然后以Si掺杂HfO2铁电薄膜在循环电场载荷下的实测结果为例，介绍了这一新型铁电材料极化翻转行为中出现的唤醒（wake up）、疲劳和饱和极化翻转电流峰劈裂等效应，分别总结了对上述现象现有的实验和理论研究进展     

~(60)Co-γ射线辐照对PbZr_(0.1)Ti_(0.9)O_3(111)铁电薄膜性能的影响

采用脉冲激光沉积方法在SrTiO_3衬底上制备了SrRuO_3底电极和(111)择优取向的PbZr_(0.1)Ti_(0.9)O_3外延铁电薄膜,通过顶电极Pt的构建形成了Pt/PbZr_(0.1)Ti_(0.9)O_3(111)/SrRuO_3铁电电容器结构,然后对PbZr_(0.1)Ti_(0.9)O_3(111)铁电薄膜开展了~(60)Co-γ射线总剂量辐照效应实验.结果表明:随着γ射线辐照剂量的增加,PbZr_(0.1)Ti_(0.9)O_3(111)铁电薄膜中的带状畴数目逐渐减少,剩余极化强度、矫顽场和电容值轻微减小,当辐照剂量为5 Mrad(Si)时,剩余极化值、矫顽场和电容值的衰减幅度仅12.4%、10.36%和13.78%;漏电流仅在高剂量辐照后产生轻微增大.可见,PbZr_(0.1)Ti_(0.9)O_3(111)铁电薄膜具有较好的抗辐射能力,在航空航天领域有一定的应用前景.     

基于SILVACO的铁电场效应管性能分析

针对铁电器件制备过程中,由铁电材料对工艺的敏感性导致铁电器件难以进行系统研究的困难,提出了应用SILVACO软件以铁电材料的实际测试结果为仿真基准,通过材料参数有限且系统的变化,研究不同的材料参数对器件性能的影响的研究方法.通过应用该仿真方法研究基于PZT栅极材料的MIFIS结构的铁电场效应晶体管的最佳漏极电流与铁电栅...     

与CMOS工艺兼容的氧化铪基铁电材料的亚稳相及其存储器器件力学

该文对新型的氧化铪基铁电晶体管存储器的巨大优势及其面临的工程和科学问题进行了详细评述,提出了存储器"器件力学"的概念.作为电子信息技术最核心的存储器是衡量国家综合实力和关系国家安全的战略性技术,我国全部依赖进口,几乎不能做到自主可控.新型存储器是我们"变轨超车"的绝佳机会.氧化铪基铁电晶体管(FeFET)存储器与CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺完全兼容,这就为其产业化创造了得天独厚的先天条件.HfO_2基铁电薄膜的FeFET存储器与CMOS兼容,可以实现FinFET(鱼鳍3D架构),可以突破后摩尔时代、有望填补"存储鸿沟",具有超高抗辐射能力、能耗低等突出优点,将引领新型存储器的发展方向.疲劳性能不是很好、存储器存储窗口的均匀性欠佳是限制氧化铪基FeFET存储器产业化的技术瓶颈,即工程问题.亚稳相、复杂界面效应、存储器"器件力学"的理论基础不清楚是限制与CMOS工艺兼容的氧化铪基铁电存储器产业化的关键科学问题.需要从氧化铪基FeFET存储器面临的工程问题提炼出基础科学问题,通过氧化铪基材料的铁电物理本质、亚稳相及其本构关系的研究,将界面的物理力学性能研究作为一个桥梁,提出栅极电压V_G即"场效应"和"铁电性"双控制因素下的存储器"器件力学"理论模型和实验研究方法,从而为解决氧化铪基FeFET存储器的技术瓶颈提供理论和实验支撑.     

钬铬共掺铁酸铋薄膜对钛酸铋钠钾铁电薄膜的性能调控

用溶胶-凝胶法,在Pt/Ti/SiO_2/Si(100)衬底上制备了钬铬共掺铁酸铋(BHFCO)-钛酸铋钠钾(NKBT)薄膜,系统研究不同BHFCO掺杂量对(1-x)NKBT-xBHFCO薄膜的微观结构、表面形貌和电学性能的影响.结果表明:680℃退火处理后的(1-x)NKBT-xBHFCO薄膜表面比较均匀、致密,结晶度较好;0.95NKBT-0.05BHFCO薄膜样品的剩余极化值(2P_r)最大(71.3μC/cm~2),矫顽场最小(2E_c=530 kV/cm),电滞回线饱和矩形度最好,漏电流最小(2.1×10~(-6 )A/cm~2).0.95NKBT-0.05BHFCO薄膜的,相对介电常数最大(约为493),介电损耗最小(约为0.04);薄膜的高温介电温谱表明,所有薄膜的居里温度(T_c)在(450±10)℃.不同厚度薄膜的介电性能表明,铁电薄膜内部的挠曲电效应显著降低了薄膜的最大介电常数值.     

铁电储存器中子单粒子效应的蒙特卡罗模拟

大气辐射环境中高通量中子对铁电存储器的单粒子效应不容忽视.该文利用蒙特卡罗方法研究了铁电存储器的中子单粒子效应.中子入射在铁电存储器灵敏区域造成的总能量沉积随中子能量的增大而增加,且在灵敏区域内部的总能量沉积值略大于在边界处的.中子能量为1～5 MeV时,铁电存储器中没有发现单粒子翻转.中子能量为6～16 MeV时,铁电存储器会发生单粒子翻转.当中子能量从6 MeV增大到8 MeV时,单粒子翻转截面从6×10~(-16 )cm~2增大到6×10~(-15 )cm~2,增大约1个数量级;当中子能量从8 MeV增大到16 MeV时,单粒子翻转截面从6×10~(-15 )cm~2增大至1.8×10~(-14)cm~2,只增大到3倍左右.中子还会导致铁电存储器出现单粒子功能中断,其单粒子功能中断错误数随功能中断线性能量传递(linear energy transfer, LET)阈值的增大呈指数形式减小.同时,铁电存储器的功能中断LET阈值越大,其单粒子功能中断错误截面受中子能量的影响越不明显.     

Co_2FeGa/BaTiO_3多铁隧道结中磁电耦合效应的第一性原理研究

利用第一性原理研究了Co_2FeGa/BaTiO_3多铁隧道结(MFTJ)中的磁电耦合效应,以及中间势垒层BaTiO_3(BTO)的铁电临界尺寸,构建了FeGa/TiO_2与Co_2/TiO_2两种对称性界面结构的多铁隧道结模型.结果表明,FeGa/TiO_2与Co_2/TiO_2界面模型的铁电临界尺寸分别是4个和2个BTO单胞.此外,发现磁电耦合效应主要是由界面原子上磁矩的差异导致的,它们对多铁隧道结中BTO的极化非常敏感,而且这种耦合还与界面相关原子的电子杂化程度有关.另外,不同界面模型磁电耦合强度也是不一样的,Co_2/TiO_2界面模型多铁隧道结的磁电耦合系数要远大于FeGa/TiO_2界面模型多铁隧道结的磁电耦合系数.采用半金属Heusler合金电极的多铁隧道结有望为纳电子器件和自旋电子器件的应用提供新的方法.     

PTO种子层对PZT铁电薄膜结晶温度和电学性能的影响

该文采用溶胶-凝胶法(Sol-Gel)在Pt/Ti/SiO_2/Si衬底上制备了PZT和PZT/PTO两种结构的铁电薄膜,通过PTO种子层调控PZT薄膜的微观结构和电学性能.研究发现,加入PTO种子层之后,薄膜的SEM图像呈现出更加致密的形态,晶粒分布较均匀.PZT/PTO铁电薄膜在550℃下退火后测得的剩余极化强度比PZT薄膜650℃下退火获得的剩余极化强度要大,说明种子层的加入降低了薄膜的结晶温度.此外,加入PTO种子层后,PZT铁电薄膜的介电常数升高,介电损耗降低,抗疲劳性能也变好,薄膜的电学性能得到了较好的改善.     

下电极TiN粗糙度对HZO薄膜铁电性的影响

传统钙钛矿铁电薄膜具有一系列优点的同时也具有较为明显的缺点，主要包括：与Si工艺兼容性较差、物理厚度较大、带隙宽度较小以及非环境友好等2011年新型掺杂HfO2铁电薄膜的出现，为解决上述一系列问题提供了新思路其中，因铁电性能显著及易于制备，HfO2 ZrO2固溶体（HZO）体系成了重要的研究热点之一与此同时，在充分考虑制备成本和可控沉积条件之后，研究者发现溅射技术是制备HZO薄膜较为有效的手段之一该文在利用溅射技术制备TiN/HZO/TiN（MFM）铁电电容结构的过程中发现：下电极TiN粗糙度对新型HfO2基MFM电容结构铁电性的产生具有重要影响；相较于磁控溅射技术而言，离子束溅射技术制备的下电极TiN具有更好的粗糙度，更有利于体系铁电性能的出现.     

基于Cu和TiN盖层的Hf0.5Zr0.5O2薄膜铁电性能比较研究

该文采用原子层沉积在Si/SiO2/TiN基底上制备了20 nm Hf0.5Zr0.5O2 (HZO)薄膜，并分别以TiN和Cu为盖层构筑了HZO铁电电容器掠入射X射线衍射测试表明，TiN和Cu作为盖层的HZO薄膜都具有明显的正交相系统比较研究了Cu和TiN盖层对HZO薄膜的铁电、漏电和可靠性的影响极化 电压测试表明，TiN和Cu为盖层的HZO薄膜在±4 V扫描电压下，剩余极化强度 (2Pr) 值分别为40.4 μC/cm2和21.2 μC/cm2相应的矫顽电压分别为+1.7 V和+2.0 V极化疲劳与保持特性测试表明，在经过2.3×108循环次数后，以TiN和Cu为盖层的HZO薄膜的2Pr值分别衰减了39.7%和45.6%经过1.3×104 s保持测试，TiN和Cu盖层的HZO薄膜的2Pr值从初始34.4 μC/cm2和17.1 μC/cm2分别下降到了22.6 μC/cm2和1.6 μC/cm2上述结果说明，金属盖层是影响HZO铁电性的一个非常重要的因素盖层的功函数、热膨胀系数、界面缺陷和界面介电层都是导致HZO薄膜铁电性差异的可能机制该文工作对于进一步理解HZO铁电性起源和影响机制提供了有意义的借鉴，将有助于发展未来高性能的HZO铁电存储器和负电容晶体管     

复相多铁材料中电场调控自旋的翻转

电场调控的自旋翻转因在低能耗高密度的新型存储器件中有巨大的应用潜力而受到人们的广泛关注.在复相多铁材料中,利用磁电耦合效应有可能实现电场调控自旋的翻转.我们在CoPt/PMN-PT异质结中,利用电场调控矫顽力的变化,实现了电场调控自旋的翻转.在铁磁形状记忆合金Mn-Ni-Sn与0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3组成的复合材料中,通过电场调控交换偏置场的变化,无需偏置磁场就可以实现电场调控自旋的翻转.     

二维铁电材料的研究进展

铁电材料是一类具有优异的铁电、压电及热释电等性能的功能材料,有着很高的研究价值.随着科学技术的发展,对器件尺寸、功耗提出了更高的要求,微型化、集成化成为目前铁电材料的一大发展趋势.传统铁电材料由于尺寸效应、表面效应等因素制约了其在纳米尺度下的应用,如何解决这一问题成为当下的研究热点之一,其中寻找具有铁电性的二维材料是可能的解决方案.该文综述了近年来研究者们关于二维铁电材料的探索,介绍了二维铁电材料的独特优势,解释了二维材料铁电性的来源以及调控,最后对该领域今后的发展提出了展望.