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叠层结构对HfO2基铁电薄膜极化疲劳性能的影响机理研究

批准号:
52102147
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
曾斌建
依托单位:
学科分类:
功能陶瓷
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
曾斌建

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
铁电场效应晶体管(FeFET)具有功耗低、擦写速度快、非易失等特点,是下一代存储器的重要发展方向。HfO2基铁电薄膜具有与标准集成电路工艺兼容、可高密度集成等特点,是用于FeFET存储器的绝佳材料。但是,小尺寸HfO2基铁电薄膜之间的性能均一性不佳是阻碍其FeFET存储器产业化的瓶颈,采用叠层结构是改善这一瓶颈问题的有效途径。然而,叠层结构影响了HfO2基铁电薄膜的极化疲劳性能:提高了耐击穿能力、降低了极化稳定性。由于当前研究工作对叠层结构HfO2基铁电薄膜极化疲劳性能的认识停留在宏观层面,因而如何进一步优化疲劳性能也不清楚。基于此,本项目拟通过研究循环电场作用下叠层结构对HfO2基铁电薄膜相稳定性和电畴结构及其翻转动力学的影响,以揭示叠层结构对HfO2基铁电薄膜极化疲劳性能的影响机理,为优化叠层结构HfO2基铁电薄膜的极化疲劳性能提供指导和依据。
英文摘要
Ferroelectric field-effect transistor (FeFET) memory is one of the most promising emerging semiconductor memories, with the merits of fast write/read speed, low power consumption and non-volatile. Due to the excellent compatibility with standard integrated circuit technology and scalability, HfO2 based ferroelectric thin film is extremely suitable for FeFET memory. However, the poor memory performance uniformity between nano-scaled devices significantly limits the industrialization of high-density HfO2 based FeFET memory. Utilizing laminated HfO2 based ferroelectric thin film is an effective way to improve the bottleneck problem. Unfortunately, the laminated structure affects the polarization fatigue properties of HfO2 based ferroelectric film, improving the breakdown resistance and reducing the polarization stability. Because the current researches on the polarization fatigue properties of laminated HfO2 based ferroelectric thin film are only at the macro level, it is unclear to optimize the fatigue properties furtherly. Thus, the project is proposed to reveal the mechanism of the effect of the laminated structure on the polarization fatigue properties of HfO2 based ferroelectric thin film, by studying the ferroelectric phase stability, domain structure and switching dynamics of the laminated HfO2 ferroelectric thin film under cycling electric field. That will be helpful to provide guidance and basis for optimizing the polarization fatigue properties of laminated HfO2 base ferroelectric thin film.
本项目立足于下一代信息技术对HfO2基铁电场效应晶体管(FeFET)存储器的重大需求,以适用于小尺寸FeFET的叠层结构HfO2基铁电薄膜为研究对象,针对其极化疲劳性能进行了系统研究。主要研究结果包括:(1)叠层结构对HfO2基铁电薄膜相稳定性的影响:超薄Al2O3介电盖层和底部HfO2插层分别可以提升介电/Hf0.5Zr0.5O2(HZO)、HZO/HfO2叠层结构薄膜的铁电相稳定性,而HfO2层ZrO2层之间的外延关系使得HfO2-ZrO2纳米叠层薄膜结晶性优于固溶体HZO薄膜。(2)叠层结构HfO2基铁电薄膜的疲劳失效机理:界面陷阱电荷增加引起的畴壁钉扎是HZO(7 nm)/Al2O3(1 nm)/HZO(7 nm)叠层结构铁电薄膜极化疲劳失效的主要原因。(3)叠层结构HfO2基铁电薄膜的疲劳性能优化:提出叠层梯度HZO铁电薄膜,实现了电畴翻转动力学的调控和极化疲劳性能的大幅提升;提出铁电-反铁电耦合效应诱导多极化状态的策略,实现了具有优异抗疲劳性能的多极化态Hf1−xZrxO2薄膜。同时,在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Acta. Mater.等著名期刊发表论文 12 篇,申请国家发明专利 6 项(已授权 4 项),培养博士毕业生 1 人,培养硕士毕业生 4 人,在中国材料大会和电子陶瓷国际会议等重要国际国内学术会议做邀请报告 5 次,口头报告1次。
HfO2基铁电薄膜电畴的多步翻转调控及其多值存储应用
  • 批准号:
    2025JJ40002
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    曾斌建
  • 依托单位:
纳米尺度 FeFET 用HfO2基铁电薄膜的电畴数量调控及其翻转动力学研究
  • 批准号:
    2022JJ40436
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    曾斌建
  • 依托单位:
国内基金
海外基金