強誘電体ゲートFETの負性容量発現における界面ポテンシャルモデルの提案とその実証

针对铁电栅极 FET 中负电容发展的界面电势模型的提议和演示

基本信息

批准号：
20J15465
负责人：
高田賢志
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Osaka Prefecture University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J15465/
关键词：
強誘電体ハフニア負性容量正圧電

项目摘要

強誘電体ゲートFET(FeFET)の超低消費電力FET（負性容量FET）への応用に向けて、負性容量発現起源の解明およびHfO2基強誘電体薄膜の基礎物性評価に取り組んだ。現在、FeFETにおいて、耐久性や保持特性、しきい値のばらつき等の信頼性に関する問題が顕在化している。HfO2基強誘電体薄膜において特徴的なスイッチング特性として知られているインプリントやWake-up効果も信頼性に影響を与えるため、これらの現象の理解と解決が求められている。本研究では、電圧を印可することなく強誘電体の純粋な分極成分を得ることができる正圧電応答を用いた。Hf0.5Zr0.5O2薄膜における時間依存性を示すインプリントを評価したところ、数秒間の分極保持の間に、1μC/cm2以上の空間電荷が移動してインプリントが生じる一方で、正圧電応答に変化はなく、空間電荷の移動は強誘電体の分極に影響を与えないことが明らかとなった。空間電荷の再分配の駆動力としては電極と強誘電体の界面における界面層の存在による、強誘電体膜中に生じる減分極電界と、界面層に生じる電界である可能性が高いと考えられる。また、正圧電応答を用いてWake-up過程の評価を行ったところ、分極-電界特性から得られた残留分極量と正圧電応答より算出したe31,f定数はどちらも電界サイクルの増加とともに増加していたが、その増加率に大きな違いがあり、電極との界面に常誘電体相が形成しており、電界サイクルの増加に伴って、常誘電相から強誘電相に相転移していることが示唆された。以上の結果より、HfO2基強誘電体薄膜におけるWake-up効果、およびインプリントの起源の解明において正圧電応答が極めて有用であることを示した。これらの結果は、HfO2基強誘電体薄膜の基礎物性の理解を深め、かつFeFET応用において顕在化している信頼性の問題の解決に貢献するものである。

为了将铁电栅极FET（FEFET）应用于超低功率消耗FET（负电容FET），我们致力于阐明负电容表达的起源，并评估基于HFO2的基于HFO2的物理特性。当前，与可靠性有关的问题，例如耐用性，保留特性和阈值差异的变化已在FEFET中显而易见。基于HFO2的铁电薄膜中称为特征切换特性的印迹和唤醒效应也会影响可靠性，因此需要对这些现象的理解和解决方案。在这项研究中，使用了阳性的压电反应，该反应允许在不使用电压的情况下获得铁电材料的纯极化成分。当我们评估了在HF0.5ZR0.5O2薄膜中显示时间依赖性时，揭示了在几秒钟的极化保留期间，将传递1μc/cm2或更多的空间电荷，从而导致烙印，虽然没有变化，而在阳性响应中没有变化，并不会影响太空的动作。人们认为，由于电极和铁电之间的界面上存在界面层，因此在铁电膜中发生的去极化电场的重新分布可能是在铁电膜中发生的去极化电场，以及在界面层中发生的电场。此外，当我们使用积极的压电响应评估唤醒过程时，从极化 - 电场特征获得的残留极化量以及从阳性压电响应中计算出的E31和F常数随着电场周期的增加而增加的E31和F常数增加，但表明，与parecect and Facter and Facter的差异相差，该阶段是pareectric exted arted arted arted arde ned carter的差异。随着电场周期的增加，副阶段至铁电相。以上结果表明，阳性压电反应在阐明基于HFO2的铁电薄膜和烙印的起源的唤醒效果方面非常有用。这些结果加深了我们对基于HFO2的铁电薄膜的基本特性的理解，并有助于解决FEFET应用中表现出的可靠性问题。