HfO2晶體結(jié)構(gòu)及鐵電性質(zhì)產(chǎn)生機(jī)理.pdf

1、作為代表性的高-k材料，氧化鉿(HfO2)已被廣泛應(yīng)用于微電子工業(yè)。最近采用特殊工藝制備的摻雜HfO2薄膜被發(fā)現(xiàn)具有明顯的鐵電性質(zhì)。新型鐵電材料與硅基CMOS集成電路工藝良好的兼容性對于集成鐵電學(xué)的發(fā)展具有重要意義，預(yù)期將帶來鐵電存儲器研究的新突破。與鈣鈦礦型鐵電材料相比，HfO2這種新型鐵電材料具有許多優(yōu)異的性能，如單元氧化物材料，制備工藝容易控制，良好的Si基CMOS集成工藝技術(shù)兼容性，薄膜的結(jié)晶度要求低等。HfO2作為一種新型鐵電

2、材料，理解其原子尺度結(jié)構(gòu)特征和鐵電性質(zhì)的產(chǎn)生來源是HfO2廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。
　　為此，本論文采用第一性原理研究HfO2具有鐵電性質(zhì)的結(jié)構(gòu)及鐵電性產(chǎn)生來源。首先研究對比了HfO2單斜相(P21/c)、四方相(P42/nmc)、立方相(Fm3m)、正交相(Pbca)、正交相(Pnma)、立方相(Pa3)與具有鐵電性質(zhì)的正交相(Pca21)的電子結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)7種相結(jié)構(gòu)的價(jià)帶和導(dǎo)帶主要是由O的2p態(tài)、O的2s態(tài)和Hf的5d態(tài)組成，這

3、幾種態(tài)均發(fā)生了不同程度的雜化，這說明這幾種相結(jié)構(gòu)相近。然后，通過類螢石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換進(jìn)一步對比研究了6種已知相和Pca21鐵電相的晶體結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上得到所有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變相對應(yīng)的原子偏移量，結(jié)合晶格總能量確定了HfO2鐵電晶體結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生來源，發(fā)現(xiàn)Pca21鐵電相的產(chǎn)生來源為四方相P42/nmc或正交相Pbca。其次，分別通過berry相方法和波恩有效電荷方法對Pca21鐵電相的自發(fā)極化大小進(jìn)行了計(jì)算和比較，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過berry相方法得到的

4、自發(fā)極化大小為22.07μC/cm2，與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果符合得很好，處于10～24μC/cm2之間。其中離子貢獻(xiàn)和電子貢獻(xiàn)分別為51.78μC/cm2和29.71μC/cm2，并且離子極化貢獻(xiàn)主要來自于鐵電晶體結(jié)構(gòu)中的第二類氧離子。此外在berry相方法計(jì)算過程中，采用四方相作為參考相得到的結(jié)果比立方相得到的結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)值。通過波恩有效電荷方法計(jì)算的自發(fā)極化大小結(jié)果分別為65.75μC/cm2（參考相為四方相）和66.22μC/cm2（參

5、考相為立方相），計(jì)算結(jié)果約為實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果最大值的3倍，相差約45μC/cm2。最后，通過比較四方相（順電相）與鐵電相的類螢石結(jié)構(gòu)結(jié)合電子結(jié)構(gòu)，研究了HfO2鐵電性質(zhì)產(chǎn)生來源，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鐵電相晶體結(jié)構(gòu)中的Hf、O的雜化效應(yīng)比四方相增強(qiáng)，且相對于四方相，鐵電相的Hf5d、O2p和O2s態(tài)向低能移動，最強(qiáng)峰位移動0.45 eV，態(tài)密度峰位的移動與Hf-O之間雜化效應(yīng)的增強(qiáng)有關(guān)，從而推測四面體中的原子軌道的雜化導(dǎo)致了HfO2鐵電相晶體結(jié)構(gòu)的自發(fā)極