鐵電薄膜界面效應(yīng)與尺寸效應(yīng)的研究.pdf

1、鐵電材料因?yàn)榫哂性S多優(yōu)良性質(zhì)(如鐵電性和壓電性),近年來被用于制作射頻器件和非易失性存儲(chǔ)器。微電子技術(shù)的發(fā)展使器件的尺寸下降到納米級(jí),在這個(gè)尺寸范圍內(nèi)忽略鐵電材料的尺寸效應(yīng)是不能接受的。鐵電材料的尺寸效應(yīng)與電極和鐵電材料間的界面層有很緊密的聯(lián)系。而界面層對(duì)鐵電材料的可靠性(保持性能、印記和疲勞)有很大的影響。因此研究鐵電材料的界面效應(yīng)與尺寸效應(yīng)對(duì)提高基于鐵電薄膜材料的器件的性能是很有必要的。本文首先研究了界面層對(duì)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的影

2、響;然后用Landau-Ginzburg-Devonshire理論討論了界面效應(yīng)與尺寸效應(yīng)的關(guān)系;最后研究了空間電荷在界面效應(yīng)與尺寸效應(yīng)中的作用。主要內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.為了研究電極與鐵電材料間界面層對(duì)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的影響,構(gòu)建了一個(gè)改進(jìn)的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管模型。在模型中假設(shè)界面層有另一種介電/鐵電相。通過這個(gè)模型,模擬了鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的C-V特性,L礦特性和半導(dǎo)體襯底的表面勢(shì)。模擬結(jié)果表明當(dāng)界面層的厚度增加時(shí),鐵電場(chǎng)效應(yīng)

3、晶體管的性能變差。另一方面也說明界面層的存在與鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管保持性能下降有1定的聯(lián)系。
　　2.用Landau-Gingzburg-Devonshir理論對(duì)鐵電薄膜的界面層和薄膜厚度對(duì)鐵電薄膜極化強(qiáng)度的影響進(jìn)行了理論研究,界面層的影響用外推長度來衡量?？紤]不同程度界面層的影響,模擬了不同厚度的鐵電薄膜的極化強(qiáng)度分布、平均極化強(qiáng)度和極化強(qiáng)度最大值。得到了鐵電材料的極化強(qiáng)度隨薄膜厚度和外推長度的變化趨勢(shì)。通過研究發(fā)現(xiàn)界面層抑制了界面

4、附近的極化強(qiáng)度。研究還表明平均極化強(qiáng)度和極化強(qiáng)度最大值都隨薄膜厚度的減小而減小,尤其是當(dāng)薄膜厚度小于50nm時(shí)。研究結(jié)果表明界面效應(yīng)是極化強(qiáng)度隨薄膜厚度減小而減小的主要原因。
　　3.用數(shù)值方法研究了空間電荷濃度和薄膜厚度對(duì)鐵電薄膜內(nèi)的電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響。對(duì)Baudry的微分介電常數(shù)模型進(jìn)行改進(jìn),得到一個(gè)新的介電常數(shù)表達(dá)式。通過研究不同厚度的鐵電薄膜,發(fā)現(xiàn)鐵電薄膜是完全耗盡還是部分耗盡與鐵電薄膜的厚度和空間電荷的濃度有很大關(guān)