鉿基FeFET疲勞過程中電荷捕獲機(jī)制的深度剖析與前沿洞察

鉿基FeFET疲勞過程中電荷捕獲機(jī)制的深度剖析與前沿洞察一、引言1.1研究背景與意義隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興領(lǐng)域?qū)Υ鎯夹g(shù)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的存儲技術(shù)，如動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（DRAM）和閃存，在面對日益增長的數(shù)據(jù)存儲和處理需求時，逐漸顯露出性能瓶頸。在這樣的背景下，新型存儲技術(shù)的研發(fā)成為了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。鉿基鐵電場效應(yīng)晶體管（FeFET）作為一種極具潛力的新型存儲器件，近年來受到了廣泛的關(guān)注。它基于鐵電材料的獨(dú)特特性，具有高存儲密度、低功耗、高速讀寫以及與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝兼容性好等優(yōu)勢，被認(rèn)為是下一代存儲技術(shù)的有力候選者。在嵌入式系統(tǒng)中，F(xiàn)eFET可以實(shí)現(xiàn)非易失性存儲，大大降低系統(tǒng)功耗并提高數(shù)據(jù)安全性；在存算一體架構(gòu)中，其高速讀寫和低功耗特性有助于提高計算效率，打破傳統(tǒng)馮?諾依曼架構(gòu)下存儲和計算分離帶來的瓶頸。然而，鉿基FeFET在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)，其中疲勞特性是限制其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。隨著讀寫循環(huán)次數(shù)的增加，F(xiàn)eFET的存儲性能會逐漸退化，表現(xiàn)為存儲窗口減小、閾值電壓漂移等現(xiàn)象，這嚴(yán)重影響了器件的可靠性和使用壽命。研究表明，電荷捕獲機(jī)制在鉿基FeFET的疲勞過程中起著至關(guān)重要的作用。在鐵電材料與電極或半導(dǎo)體溝道的界面處，以及鐵電材料內(nèi)部，存在著各種缺陷和陷阱，這些缺陷和陷阱能夠捕獲電荷，導(dǎo)致電荷分布的變化，進(jìn)而影響鐵電材料的極化特性和器件的電學(xué)性能。當(dāng)電荷在這些位置不斷積累時，會改變界面電場分布，阻礙鐵電極化的正常翻轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致器件疲勞失效。因此，深入研究鉿基FeFET疲勞過程中的電荷捕獲機(jī)制，對于理解器件的失效機(jī)理、提高器件性能和可靠性具有重要的意義。通過揭示電荷捕獲機(jī)制，可以為鉿基FeFET的材料設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝改進(jìn)提供理論指導(dǎo)。在材料方面，有助于開發(fā)出具有更低缺陷密度和更好抗電荷捕獲能力的鐵電材料；在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，可以優(yōu)化鐵電層與其他層之間的界面結(jié)構(gòu)，減少電荷捕獲的發(fā)生；在工藝上，能夠制定更合理的制備工藝參數(shù)，降低工藝引入的缺陷，從而有效提高鉿基FeFET的疲勞壽命和穩(wěn)定性，推動其從實(shí)驗(yàn)室研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，滿足未來信息技術(shù)對高性能存儲器件的需求。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，鉿基FeFET作為一種極具潛力的新型存儲器件，在國內(nèi)外都受到了廣泛的研究關(guān)注。在疲勞特性研究方面，國內(nèi)外學(xué)者已取得了一系列重要成果。國外研究起步較早，眾多科研團(tuán)隊在該領(lǐng)域進(jìn)行了深入探索。如英特爾等國際知名企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，對鉿基FeFET的疲勞特性進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。他們通過大量實(shí)驗(yàn)和理論分析，揭示了疲勞過程中器件性能退化的基本規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著讀寫循環(huán)次數(shù)的增加，鉿基FeFET的存儲窗口逐漸減小，閾值電壓發(fā)生漂移，這一現(xiàn)象嚴(yán)重影響了器件的可靠性和使用壽命。為了深入探究其內(nèi)在機(jī)制，他們運(yùn)用先進(jìn)的表征技術(shù)，如高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、X射線光電子能譜（XPS）等，對器件的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鐵電層與電極或半導(dǎo)體溝道的界面處存在大量缺陷和陷阱，這些缺陷和陷阱在電場作用下會捕獲電荷，從而導(dǎo)致電荷分布的變化，進(jìn)而影響鐵電材料的極化特性和器件的電學(xué)性能。國內(nèi)在鉿基FeFET領(lǐng)域的研究也取得了顯著進(jìn)展。北京大學(xué)集成電路學(xué)院的研究團(tuán)隊針對鉿基FeFET耐久性低的問題，從硅溝道FeFET的器件原理出發(fā)，提出了鐵電層-中間層協(xié)同優(yōu)化的耐久性改善新方法。他們結(jié)合第一性原理計算的理論預(yù)測，選取了Al:HfO?鐵電層和Al?O?中間層的材料組合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種組合具有較低的電荷俘獲密度和較長的俘獲時間常數(shù)，有效提升了器件的耐久性，優(yōu)化后器件的耐久性超過5×10?，超過通常報道的FeFET耐久性三個數(shù)量級以上，并具有10年以上的保持特性。西安電子科技大學(xué)的周益春教授團(tuán)隊開展5d電子材料鐵電性物理本質(zhì)與存儲器設(shè)計新理論研究，構(gòu)建了氧化鉿基鐵電薄膜帶電疇壁-內(nèi)建電場相場模型，從理論上預(yù)測了氧化鉿尾對尾90°電疇結(jié)構(gòu)的存在及其對氧化鉿基鐵電薄膜“喚醒”效應(yīng)與疲勞失效的影響規(guī)律，并通過像差校正掃描透射電子顯微鏡（Cs-STEM）證實(shí)90°電疇結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致氧化鉿基鐵電薄膜出現(xiàn)“喚醒”效應(yīng)的重要原因，為理解鉿基FeFET的疲勞機(jī)制提供了新的視角。在電荷捕獲機(jī)制的研究方面，國外研究人員通過建立各種物理模型，如電荷陷阱模型、界面態(tài)模型等，來解釋電荷捕獲的過程和影響因素。他們認(rèn)為，在鐵電材料內(nèi)部和界面處，存在著多種類型的陷阱，如氧空位、雜質(zhì)原子等，這些陷阱的能級分布和捕獲截面決定了電荷捕獲的效率和穩(wěn)定性。同時，電場強(qiáng)度、溫度等外部因素也會對電荷捕獲過程產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)電場強(qiáng)度增加時，電荷注入的概率增大，從而導(dǎo)致更多的電荷被陷阱捕獲；溫度升高則會使陷阱的熱激活概率增加，導(dǎo)致電荷的釋放和重新分布。國內(nèi)學(xué)者也在電荷捕獲機(jī)制研究上取得了一些成果。有研究團(tuán)隊利用深能級瞬態(tài)譜（DLTS）、熱激發(fā)電流（TSC）等技術(shù)，對鉿基FeFET中的電荷捕獲和釋放過程進(jìn)行了深入研究，分析了不同類型陷阱的特性和作用。他們發(fā)現(xiàn)，在鐵電層與半導(dǎo)體溝道的界面處，存在著一些淺能級陷阱，這些陷阱在短時間內(nèi)能夠快速捕獲電荷，導(dǎo)致器件性能的快速退化；而在鐵電材料內(nèi)部，則存在一些深能級陷阱，這些陷阱對電荷的捕獲和釋放過程較為緩慢，但會對器件的長期穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。通過對電荷捕獲機(jī)制的深入研究，國內(nèi)學(xué)者提出了一些針對性的解決方案，如優(yōu)化材料制備工藝、引入界面修飾層等，以減少電荷捕獲的發(fā)生，提高器件的性能和可靠性。盡管國內(nèi)外在鉿基FeFET疲勞特性和電荷捕獲機(jī)制的研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足和空白。目前對于電荷捕獲機(jī)制的研究主要集中在宏觀層面，對微觀層面的電荷捕獲動力學(xué)過程和原子尺度的缺陷演化機(jī)制仍缺乏深入理解。不同研究團(tuán)隊采用的實(shí)驗(yàn)方法和測試條件存在差異，導(dǎo)致研究結(jié)果之間難以進(jìn)行直接比較和驗(yàn)證，這給建立統(tǒng)一的電荷捕獲理論模型帶來了困難。在實(shí)際應(yīng)用中，鉿基FeFET面臨著復(fù)雜的工作環(huán)境，如高溫、高濕度、強(qiáng)輻射等，而目前對于這些復(fù)雜環(huán)境下電荷捕獲機(jī)制的研究還相對較少，無法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。此外，如何通過材料設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化來有效抑制電荷捕獲，提高鉿基FeFET的疲勞壽命和穩(wěn)定性，仍然是亟待解決的關(guān)鍵問題。1.3研究方法和創(chuàng)新點(diǎn)為深入探究鉿基FeFET疲勞過程中的電荷捕獲機(jī)制，本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法，從多個維度和尺度進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)研究方面，將采用先進(jìn)的材料制備技術(shù)，如原子層沉積（ALD），精確控制鉿基鐵電薄膜的生長，確保薄膜的高質(zhì)量和均勻性，為后續(xù)的器件性能研究提供堅實(shí)基礎(chǔ)。在器件制備過程中，嚴(yán)格遵循半導(dǎo)體工藝標(biāo)準(zhǔn)，通過光刻、刻蝕等工藝步驟，制備出性能優(yōu)良的鉿基FeFET器件。利用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀、鐵電測試系統(tǒng)等設(shè)備，對器件的電學(xué)性能進(jìn)行全面表征，包括轉(zhuǎn)移特性、電容電壓特性、鐵電回滯特性等，獲取器件在不同工作條件下的電學(xué)參數(shù)，為電荷捕獲機(jī)制的研究提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。借助高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、掃描透射電子顯微鏡（STEM）等微觀表征技術(shù)，對鉿基FeFET的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，觀察鐵電層與電極、半導(dǎo)體溝道之間的界面結(jié)構(gòu)，以及鐵電層內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)和缺陷分布情況。運(yùn)用X射線光電子能譜（XPS）、俄歇電子能譜（AES）等分析手段，精確確定材料的化學(xué)成分和元素價態(tài)，明確界面處元素的分布和化學(xué)狀態(tài)變化，從而揭示電荷捕獲與微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分之間的內(nèi)在聯(lián)系。采用深能級瞬態(tài)譜（DLTS）、熱激發(fā)電流（TSC）等技術(shù)，對電荷捕獲和釋放過程進(jìn)行定量分析，獲取陷阱能級、陷阱密度、捕獲截面等關(guān)鍵參數(shù)，深入了解電荷在陷阱中的捕獲和釋放動力學(xué)過程。理論模擬方面，基于密度泛函理論（DFT），從原子尺度對鐵電材料中的缺陷形成能、電荷分布和遷移率等進(jìn)行計算，深入探究缺陷與電荷捕獲之間的相互作用機(jī)制。通過構(gòu)建鐵電材料的原子模型，模擬不同類型缺陷（如氧空位、雜質(zhì)原子等）的形成過程，分析缺陷對電子結(jié)構(gòu)和電荷傳輸?shù)挠绊?，為理解電荷捕獲的微觀本質(zhì)提供理論依據(jù)。利用相場模型，從介觀尺度模擬鐵電疇的演化和電荷分布，研究電場、溫度等因素對鐵電疇結(jié)構(gòu)和電荷捕獲的影響?？紤]鐵電材料的晶體對稱性、極化方向等因素，建立相場模型，模擬鐵電疇在不同外部條件下的演變過程，分析電荷在鐵電疇壁和內(nèi)部的分布情況，揭示電荷捕獲與鐵電疇結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：在研究維度上，打破傳統(tǒng)單一研究方法的局限，將實(shí)驗(yàn)研究與理論模擬相結(jié)合，從宏觀電學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)和原子尺度等多個維度全面深入地研究電荷捕獲機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對電荷捕獲過程的全方位理解。在研究尺度上，跨越原子尺度、介觀尺度和宏觀尺度，通過多尺度模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，建立起不同尺度之間的關(guān)聯(lián)，構(gòu)建完整的電荷捕獲理論體系，為鉿基FeFET的性能優(yōu)化提供更全面、更深入的理論指導(dǎo)。在研究內(nèi)容上，針對目前研究中對復(fù)雜環(huán)境下電荷捕獲機(jī)制關(guān)注較少的問題，深入研究高溫、高濕度、強(qiáng)輻射等復(fù)雜環(huán)境因素對電荷捕獲機(jī)制的影響，為鉿基FeFET在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性評估和壽命預(yù)測提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持，拓展了鉿基FeFET的研究范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。二、鉿基FeFET基礎(chǔ)2.1結(jié)構(gòu)與工作原理2.1.1結(jié)構(gòu)組成鉿基FeFET的基本結(jié)構(gòu)主要由襯底、鐵電層、柵電極以及源極和漏極等部分組成。襯底是整個器件的基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，通常采用硅（Si）材料。硅襯底具有良好的電學(xué)性能、機(jī)械性能以及與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝的高度兼容性。其晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠?yàn)槠骷钠渌糠痔峁┓€(wěn)定的物理支撐，確保在復(fù)雜的制造工藝和工作環(huán)境下，器件整體結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性。在硅襯底表面，通常會生長一層很薄的氧化硅（SiO?）界面層，這層界面層對于改善襯底與鐵電層之間的界面質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。它能夠有效降低界面態(tài)密度，減少載流子在界面處的散射和復(fù)合，從而提高器件的電學(xué)性能和可靠性。鐵電層是鉿基FeFET的核心功能層，主要由氧化鉿（HfO?）及其相關(guān)的摻雜材料構(gòu)成。例如，通過在HfO?中摻入鋯（Zr）形成鉿鋯氧化物（HZO），這種材料能夠顯著增強(qiáng)鐵電性能。鐵電層具有獨(dú)特的鐵電特性，即自發(fā)極化現(xiàn)象，其極化方向可以在外加電場的作用下發(fā)生翻轉(zhuǎn)。鐵電層的厚度一般在幾納米到幾十納米之間，精確控制其厚度對于優(yōu)化器件性能至關(guān)重要。較薄的鐵電層可以降低極化翻轉(zhuǎn)所需的電場強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)低功耗操作，但同時也可能面臨極化穩(wěn)定性下降的問題；而較厚的鐵電層雖然能提供更強(qiáng)的極化強(qiáng)度和穩(wěn)定性，但可能會增加器件的電容，導(dǎo)致操作速度變慢。柵電極位于鐵電層之上，用于施加電場來控制鐵電層的極化狀態(tài)以及溝道中的載流子濃度。柵電極材料通常選用高功函數(shù)的金屬，如鉭（Ta）、鎢（W）等。這些金屬具有良好的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在保證高效電荷傳輸?shù)耐瑫r，在長期的工作過程中保持穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)，不會與周圍的材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而確保器件性能的長期可靠性。源極和漏極則位于襯底表面，通過離子注入或擴(kuò)散等工藝形成。它們的作用是為載流子提供注入和收集的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)器件的電流傳導(dǎo)功能。源極和漏極的摻雜濃度和分布對器件的電學(xué)性能，如導(dǎo)通電阻、開關(guān)速度等有著重要影響。合適的摻雜濃度可以降低源漏接觸電阻，提高載流子的注入和收集效率，從而提升器件的整體性能。在源極和漏極與襯底之間，通常會形成肖特基結(jié)或歐姆結(jié)，不同的結(jié)類型會影響載流子的注入方式和器件的工作特性，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行合理設(shè)計和優(yōu)化。2.1.2工作原理鉿基FeFET的工作原理基于鐵電材料獨(dú)特的極化特性。鐵電材料具有自發(fā)極化的性質(zhì)，即在沒有外加電場時，其內(nèi)部的電偶極子會自發(fā)地沿某個方向排列，形成一定的極化強(qiáng)度。當(dāng)在柵電極上施加外部電場時，鐵電層的極化狀態(tài)會發(fā)生改變。在正向電場作用下，鐵電層中的電偶極子會逐漸轉(zhuǎn)向與電場方向一致的方向，形成正向極化狀態(tài)；而在反向電場作用下，電偶極子則會翻轉(zhuǎn)到與電場相反的方向，實(shí)現(xiàn)極化狀態(tài)的反轉(zhuǎn)。這種極化狀態(tài)的變化會直接影響到溝道中的載流子濃度和遷移率，進(jìn)而改變器件的電學(xué)性能。具體來說，當(dāng)鐵電層處于正向極化狀態(tài)時，會在溝道中感應(yīng)出較多的載流子，使得器件的閾值電壓降低，此時器件容易導(dǎo)通，對應(yīng)存儲狀態(tài)“1”；當(dāng)鐵電層處于反向極化狀態(tài)時，溝道中的載流子濃度減少，閾值電壓升高，器件較難導(dǎo)通，對應(yīng)存儲狀態(tài)“0”。通過檢測器件的閾值電壓，可以確定其存儲的信息是“0”還是“1”。以一個簡單的寫入操作過程為例，當(dāng)對柵電極施加一個正向的高電壓脈沖時，鐵電層被極化到正向狀態(tài)，此時器件處于低閾值電壓狀態(tài)，代表存儲“1”；若施加一個反向的高電壓脈沖，鐵電層極化方向反轉(zhuǎn)，器件進(jìn)入高閾值電壓狀態(tài)，代表存儲“0”。在讀取操作時，施加一個較小的讀取電壓，通過檢測源極和漏極之間的電流大小來判斷器件的閾值電壓狀態(tài)，從而獲取存儲的信息。由于鐵電材料在極化狀態(tài)改變后，即使外部電場消失，仍能保持其極化狀態(tài)，使得鉿基FeFET具有非易失性存儲的特性，即斷電后存儲的數(shù)據(jù)不會丟失。這種基于鐵電材料極化狀態(tài)變化實(shí)現(xiàn)存儲功能的原理，使得鉿基FeFET在低功耗、高速讀寫以及高存儲密度等方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢，為其在下一代存儲技術(shù)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2.2在存儲領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢2.2.1高存儲密度在當(dāng)今信息爆炸的時代，數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長，對存儲設(shè)備的存儲密度提出了極高的要求。鉿基FeFET在這方面展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，其單個存儲單元僅由一個晶體管構(gòu)成，這種簡單而緊湊的結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)高密度集成奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的存儲技術(shù)，如動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（DRAM）和閃存相比，DRAM的存儲單元通常由一個晶體管和一個電容組成，閃存的存儲單元則更為復(fù)雜，這使得它們在實(shí)現(xiàn)高密度集成時面臨諸多挑戰(zhàn)。而鉿基FeFET的單晶體管結(jié)構(gòu)大大減少了單個存儲單元所占的面積，在相同的芯片面積下，能夠集成更多的存儲單元，從而顯著提高存儲密度。例如，在一些先進(jìn)的半導(dǎo)體制造工藝中，通過精細(xì)的光刻和刻蝕技術(shù)，可以將鉿基FeFET的尺寸縮小到納米級別，進(jìn)一步提升其存儲密度。有研究表明，采用10納米以下的工藝節(jié)點(diǎn)制備的鉿基FeFET存儲陣列，其存儲密度可比傳統(tǒng)的20納米工藝節(jié)點(diǎn)的閃存提高數(shù)倍，這使得在有限的芯片空間內(nèi)能夠存儲更多的數(shù)據(jù)，滿足了大數(shù)據(jù)時代對海量數(shù)據(jù)存儲的需求。2.2.2低功耗功耗問題一直是存儲技術(shù)發(fā)展中的關(guān)鍵考量因素，尤其在移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，低功耗的存儲器件對于延長設(shè)備續(xù)航時間和降低能源消耗至關(guān)重要。鉿基FeFET在低功耗方面表現(xiàn)出色，其極化翻轉(zhuǎn)所需的能量低于傳統(tǒng)存儲器。在傳統(tǒng)的存儲器件中，如DRAM，數(shù)據(jù)的寫入和讀取過程需要對電容進(jìn)行充放電操作，這一過程會消耗大量的能量。而鉿基FeFET基于鐵電材料的極化特性，通過改變鐵電層的極化狀態(tài)來存儲信息，極化翻轉(zhuǎn)過程主要涉及電偶極子的重新排列，不需要像電容充放電那樣消耗大量的電能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，鉿基FeFET在寫入和讀取操作時的能耗僅為傳統(tǒng)DRAM的幾分之一甚至更低。在一些物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)中，使用鉿基FeFET作為存儲器件，能夠在長時間內(nèi)保持?jǐn)?shù)據(jù)存儲，同時大大降低設(shè)備的功耗，使得傳感器節(jié)點(diǎn)可以依靠小型電池長時間運(yùn)行，減少了頻繁更換電池的麻煩，提高了設(shè)備的實(shí)用性和穩(wěn)定性。2.2.3高速性隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對于存儲設(shè)備的讀寫速度要求越來越高，尤其是在高速數(shù)據(jù)處理和實(shí)時應(yīng)用場景中，如人工智能推理、高速通信等領(lǐng)域，存儲設(shè)備的速度直接影響系統(tǒng)的整體性能。鉿基FeFET的操作速度極快，其操作速度小于20納秒，能夠滿足實(shí)時性要求高的應(yīng)用場景。這主要得益于其快速的極化翻轉(zhuǎn)特性，當(dāng)在柵電極上施加電場時，鐵電層中的電偶極子能夠迅速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)極化狀態(tài)的快速翻轉(zhuǎn)，從而完成數(shù)據(jù)的寫入和讀取操作。相比之下，傳統(tǒng)的閃存技術(shù)，由于其存儲原理涉及電子的隧穿和熱電子注入等過程，速度相對較慢，寫入和讀取操作通常需要微秒級甚至毫秒級的時間。在人工智能推理過程中，需要快速讀取大量的模型參數(shù)和數(shù)據(jù)，使用鉿基FeFET作為存儲器件，可以顯著提高推理速度，加快人工智能系統(tǒng)的響應(yīng)時間，使得系統(tǒng)能夠更高效地處理復(fù)雜的任務(wù)。2.2.4非破壞性讀取在數(shù)據(jù)存儲和讀取過程中，傳統(tǒng)的一些存儲技術(shù)存在讀取操作破壞存儲狀態(tài)的問題，這就需要在讀取后進(jìn)行數(shù)據(jù)重寫，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和能耗。而鉿基FeFET具有非破壞性讀取的優(yōu)勢，在讀取數(shù)據(jù)時，不會對存儲狀態(tài)造成破壞。這是因?yàn)槠渥x取原理是基于檢測源極和漏極之間的電流變化來判斷鐵電層的極化狀態(tài)，從而獲取存儲的信息，在這個過程中，鐵電層的極化狀態(tài)并不會發(fā)生改變。這種非破壞性讀取特性避免了數(shù)據(jù)讀取過程中對存儲狀態(tài)的破壞，提高了整體存儲效率，減少了數(shù)據(jù)重寫帶來的時間和能量消耗。在一些對數(shù)據(jù)實(shí)時性和可靠性要求極高的應(yīng)用中，如金融交易系統(tǒng)、航空航天控制系統(tǒng)等，鉿基FeFET的非破壞性讀取特性能夠確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，避免因讀取操作導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失或錯誤，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。2.3疲勞特性及對性能的影響2.3.1疲勞特性表現(xiàn)鉿基FeFET在實(shí)際應(yīng)用過程中，隨著鐵電反轉(zhuǎn)次數(shù)的不斷增加，其性能會逐漸出現(xiàn)退化現(xiàn)象，表現(xiàn)出明顯的疲勞特性。剩余極化是衡量鐵電材料性能的重要參數(shù)之一，在鉿基FeFET的疲勞過程中，剩余極化會隨著鐵電反轉(zhuǎn)次數(shù)的增加而逐漸降低。這是因?yàn)樵诜磸?fù)的極化反轉(zhuǎn)過程中，鐵電材料內(nèi)部的缺陷和陷阱會逐漸積累電荷，這些電荷會對電偶極子的排列產(chǎn)生干擾，使得電偶極子難以完全沿電場方向排列，從而導(dǎo)致剩余極化強(qiáng)度下降。當(dāng)鐵電反轉(zhuǎn)次數(shù)達(dá)到一定數(shù)量級時，剩余極化可能會降低至初始值的一半甚至更低，嚴(yán)重影響器件的存儲性能。電滯回線是描述鐵電材料極化與電場關(guān)系的重要曲線，在鉿基FeFET疲勞過程中，電滯回線會發(fā)生顯著變化，主要表現(xiàn)為變窄。正常情況下，新鮮的鉿基FeFET具有較為寬闊的電滯回線，表明其具有良好的鐵電性能和較大的極化翻轉(zhuǎn)范圍。隨著鐵電反轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，電滯回線逐漸變窄，這意味著極化翻轉(zhuǎn)所需的電場強(qiáng)度減小，同時極化強(qiáng)度的變化范圍也減小。這是由于電荷捕獲導(dǎo)致鐵電材料內(nèi)部的電場分布發(fā)生改變，使得極化翻轉(zhuǎn)過程變得更加容易，但同時也降低了極化的穩(wěn)定性和可調(diào)控性。漏電流的變化也是鉿基FeFET疲勞特性的一個重要表現(xiàn)。在疲勞過程中，漏電流會逐漸增大。這是因?yàn)樵阼F電層與電極或半導(dǎo)體溝道的界面處，電荷捕獲會導(dǎo)致界面態(tài)密度增加，這些界面態(tài)會成為載流子的產(chǎn)生和復(fù)合中心，從而增加了漏電流。當(dāng)漏電流增大到一定程度時，會嚴(yán)重影響器件的功耗和穩(wěn)定性，甚至可能導(dǎo)致器件失效。2.3.2對存儲性能的影響鉿基FeFET的疲勞特性對其存儲性能產(chǎn)生了諸多負(fù)面影響，嚴(yán)重制約了其在實(shí)際存儲應(yīng)用中的可靠性和壽命。存儲窗口是衡量存儲器件性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它反映了存儲器件區(qū)分不同存儲狀態(tài)的能力。在鉿基FeFET中，存儲窗口的大小與鐵電層的極化狀態(tài)密切相關(guān)。隨著疲勞特性的出現(xiàn)，鐵電層的極化強(qiáng)度降低，導(dǎo)致存儲窗口減小。這使得存儲器件在讀取數(shù)據(jù)時，難以準(zhǔn)確區(qū)分“0”和“1”狀態(tài)，增加了數(shù)據(jù)讀取錯誤的概率。當(dāng)存儲窗口減小到一定程度時，器件將無法正常存儲和讀取數(shù)據(jù)，從而失去存儲功能。閾值電壓漂移是鉿基FeFET疲勞特性對存儲性能影響的另一個重要方面。在器件的使用過程中，由于電荷捕獲等原因，閾值電壓會發(fā)生漂移。閾值電壓的正向漂移會導(dǎo)致存儲“0”狀態(tài)時的電流減小，而閾值電壓的反向漂移則會導(dǎo)致存儲“1”狀態(tài)時的電流增大，這都會使得存儲狀態(tài)的區(qū)分變得更加困難，降低了數(shù)據(jù)存儲的可靠性。閾值電壓漂移還會影響器件的讀寫速度和功耗，進(jìn)一步降低了器件的整體性能。鐵電材料的疲勞特性會導(dǎo)致數(shù)據(jù)保持能力下降。在長時間存儲數(shù)據(jù)的過程中，由于電荷捕獲和極化松弛等因素的影響，鐵電層的極化狀態(tài)會逐漸發(fā)生變化，導(dǎo)致存儲的數(shù)據(jù)發(fā)生丟失或錯誤。研究表明，隨著疲勞程度的增加，數(shù)據(jù)保持時間會顯著縮短，這對于需要長期存儲數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景來說，是一個嚴(yán)重的問題。在一些對數(shù)據(jù)可靠性要求極高的應(yīng)用中，如金融數(shù)據(jù)存儲、醫(yī)療數(shù)據(jù)存儲等，數(shù)據(jù)保持能力的下降可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。三、電荷捕獲機(jī)制理論基礎(chǔ)3.1電荷捕獲的一般原理在材料科學(xué)領(lǐng)域，電荷捕獲是一個普遍存在且對材料電學(xué)性能有著關(guān)鍵影響的物理過程。當(dāng)材料受到外部電場、熱、光等因素的作用時，電子或空穴等電荷載流子會在材料內(nèi)部發(fā)生遷移。在遷移過程中，電荷載流子會與材料中的各種缺陷和陷阱相互作用。這些缺陷和陷阱可以是由于材料原子排列的不規(guī)則性形成的晶格空位、間隙原子，也可以是由雜質(zhì)原子引入的額外能級，還可能是材料在制備或使用過程中產(chǎn)生的位錯、晶界等微觀結(jié)構(gòu)缺陷。以簡單的晶體材料為例，當(dāng)晶體中存在晶格空位時，空位周圍的原子會因?yàn)槿鄙傧噜徳拥氖`而具有較高的能量，形成一個局部的勢能低谷，這個勢能低谷就可以作為電荷陷阱。當(dāng)電子在晶體中運(yùn)動到空位附近時，就有可能被這個陷阱捕獲，被困在空位處，無法自由移動。同理，間隙原子由于其在晶格中的位置異常，也會對電荷載流子產(chǎn)生吸引力，從而捕獲電荷。在半導(dǎo)體材料中，雜質(zhì)原子的引入會在材料的禁帶中形成額外的能級。例如，對于硅（Si）半導(dǎo)體，如果引入三價的硼（B）原子，硼原子會在硅的晶格中取代一個硅原子的位置，由于硼原子只有三個價電子，與周圍硅原子形成共價鍵時會缺少一個電子，從而在禁帶中形成一個受主能級。這個受主能級可以捕獲來自價帶的電子，使材料表現(xiàn)出p型半導(dǎo)體的特性；反之，如果引入五價的磷（P）原子，磷原子會在禁帶中形成施主能級，能夠釋放電子到導(dǎo)帶，使材料表現(xiàn)為n型半導(dǎo)體。這些雜質(zhì)能級就是一種常見的電荷陷阱，它們對半導(dǎo)體材料的電學(xué)性能，如載流子濃度、電導(dǎo)率等有著重要的影響。在一些復(fù)雜的材料體系中，位錯和晶界等微觀結(jié)構(gòu)缺陷也會成為電荷捕獲的重要場所。位錯是晶體中原子排列的一種線狀缺陷，位錯周圍的原子排列不規(guī)則，會產(chǎn)生應(yīng)力場和電荷分布的不均勻性，這些因素會吸引電荷載流子，使其被捕獲在位錯處。晶界則是不同晶粒之間的過渡區(qū)域，晶界處的原子排列混亂，存在大量的懸掛鍵和缺陷，這些懸掛鍵和缺陷可以作為電荷陷阱，捕獲電荷載流子。在多晶半導(dǎo)體材料中，晶界處的電荷捕獲會導(dǎo)致載流子在晶界處的散射和復(fù)合增加，從而降低材料的電導(dǎo)率和遷移率。電荷被捕獲后，會改變材料內(nèi)部的電荷分布和電場分布，進(jìn)而對材料的電學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。在鐵電材料中，電荷捕獲會導(dǎo)致鐵電疇的穩(wěn)定性發(fā)生變化，影響鐵電材料的極化特性。當(dāng)電荷被捕獲在鐵電疇壁附近時，會改變疇壁的能量和運(yùn)動特性，使得鐵電疇的翻轉(zhuǎn)變得更加困難或容易，從而影響鐵電材料的剩余極化強(qiáng)度和矯頑場。在半導(dǎo)體器件中，電荷捕獲會導(dǎo)致器件的閾值電壓發(fā)生漂移，影響器件的開關(guān)特性和存儲性能。在金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）中，如果氧化物層中存在電荷陷阱，在器件工作過程中，電荷會被陷阱捕獲，導(dǎo)致柵極與溝道之間的電場發(fā)生變化，從而使閾值電壓發(fā)生漂移，影響器件的正常工作。3.2與鉿基FeFET相關(guān)的電荷捕獲理論模型在鉿基FeFET中，電荷捕獲現(xiàn)象較為復(fù)雜，涉及多種微觀機(jī)制，目前已有多個理論模型用于解釋相關(guān)現(xiàn)象?；阼F電疇邊界電荷注入的理論模型認(rèn)為，在鐵電材料中，鐵電疇的邊界是電荷注入和捕獲的關(guān)鍵位置。當(dāng)施加外部電場時，鐵電疇會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，在疇壁移動過程中，由于疇壁處原子排列的不規(guī)則性以及與周圍區(qū)域的電學(xué)性質(zhì)差異，會產(chǎn)生局部的高電場區(qū)域。以鉿基鐵電材料為例，在電場作用下，鐵電疇壁附近的原子鍵合狀態(tài)發(fā)生變化，使得電子云分布改變，形成一些能量較低的局域態(tài)，這些局域態(tài)可以作為電荷陷阱。當(dāng)電子從電極或鐵電材料內(nèi)部遷移到疇壁附近時，就容易被這些陷阱捕獲。隨著鐵電反轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，疇壁不斷移動，更多的電荷被注入和捕獲到疇壁處，導(dǎo)致電荷在疇壁處逐漸積累。這些積累的電荷會對鐵電疇的進(jìn)一步翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生阻礙作用，因?yàn)殡姾傻拇嬖跁淖儺牨诟浇碾妶龇植?，使得疇壁移動所需的能量增加。這就解釋了為什么隨著疲勞過程的進(jìn)行，鉿基FeFET的極化翻轉(zhuǎn)變得更加困難，剩余極化強(qiáng)度降低，電滯回線變窄。界面電荷陷阱模型則聚焦于鐵電層與電極、半導(dǎo)體溝道之間的界面。在鉿基FeFET的制備過程中，由于不同材料之間的晶格失配、原子擴(kuò)散以及化學(xué)鍵合的差異，在界面處不可避免地會產(chǎn)生各種缺陷，如氧空位、雜質(zhì)原子、懸掛鍵等，這些缺陷會形成電荷陷阱。當(dāng)器件工作時，在電場的作用下，電荷載流子會在鐵電層與電極、半導(dǎo)體溝道之間的界面處遷移，這些電荷載流子很容易被界面處的陷阱捕獲。在鐵電層與半導(dǎo)體溝道的界面處，氧空位可能會捕獲電子，形成帶負(fù)電的陷阱中心。隨著時間的推移和器件工作次數(shù)的增加，界面處捕獲的電荷越來越多，這些電荷會改變界面處的電場分布，進(jìn)而影響鐵電層的極化狀態(tài)和器件的電學(xué)性能。具體表現(xiàn)為閾值電壓漂移，因?yàn)榻缑骐姾傻姆e累會改變半導(dǎo)體溝道的表面勢，使得器件開啟或關(guān)閉所需的柵極電壓發(fā)生變化；同時，也會導(dǎo)致存儲窗口減小，降低了器件區(qū)分不同存儲狀態(tài)的能力。還有一種考慮鐵電材料內(nèi)部缺陷能級的電荷捕獲模型。在鉿基鐵電材料中，由于材料的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵的復(fù)雜性以及制備過程中的工藝因素，材料內(nèi)部存在著各種缺陷能級。這些缺陷能級分布在鐵電材料的禁帶中，不同類型的缺陷對應(yīng)著不同的能級位置和能級寬度。例如，一些雜質(zhì)原子在鐵電材料中會引入額外的能級，這些能級可以作為淺能級陷阱或深能級陷阱。當(dāng)電荷載流子在鐵電材料內(nèi)部遷移時，會與這些缺陷能級相互作用。如果載流子的能量與缺陷能級匹配，就會被缺陷能級捕獲。淺能級陷阱能夠快速捕獲和釋放電荷，對器件的短期性能影響較大，如在短時間內(nèi)導(dǎo)致電流的波動；而深能級陷阱則對電荷的捕獲和釋放過程較為緩慢，一旦電荷被深能級陷阱捕獲，就很難在短時間內(nèi)釋放出來，這會對器件的長期穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響，如導(dǎo)致電荷在材料內(nèi)部的長期積累，影響鐵電材料的極化穩(wěn)定性。四、鉿基FeFET疲勞過程實(shí)驗(yàn)研究4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計與方法4.1.1樣品制備本實(shí)驗(yàn)采用硅（Si）襯底，其電阻率為1-10Ω?cm，具有良好的電學(xué)性能和穩(wěn)定性，能夠?yàn)楹罄m(xù)的器件制備提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)。在硅襯底表面，通過熱氧化工藝生長一層厚度約為10nm的二氧化硅（SiO?）作為緩沖層，該緩沖層能夠有效改善硅襯底與后續(xù)生長的鐵電層之間的界面質(zhì)量，減少界面態(tài)密度，提高器件的電學(xué)性能和可靠性。鐵電層選用鉿鋯氧化物（HZO）材料，其鋯（Zr）的摻雜比例為20%，這種摻雜比例能夠有效增強(qiáng)鐵電性能。采用原子層沉積（ALD）技術(shù)來生長鐵電層，在生長過程中，以四氯化鉿（HfCl?）、四氯化鋯（ZrCl?）和水（H?O）作為前驅(qū)體，通過精確控制反應(yīng)氣體的流量、沉積溫度和沉積循環(huán)次數(shù)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對鐵電層生長的精確控制。沉積溫度設(shè)定為300℃，在該溫度下，前驅(qū)體能夠在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，逐層生長出高質(zhì)量的HZO薄膜。通過控制沉積循環(huán)次數(shù)，精確控制鐵電層的厚度為15nm，以確保鐵電層具有良好的鐵電性能和與其他層的兼容性。柵電極材料選用鉭（Ta），其具有高功函數(shù)和良好的導(dǎo)電性，能夠有效控制鐵電層的極化狀態(tài)和溝道中的載流子濃度。利用物理氣相沉積（PVD）技術(shù)，在鐵電層表面沉積一層厚度為20nm的鉭作為柵電極。在沉積過程中，通過控制濺射功率、濺射時間和工作氣體的流量等參數(shù)，保證柵電極的均勻性和質(zhì)量。源極和漏極通過離子注入工藝形成，采用磷（P）離子作為注入離子，注入能量為50keV，注入劑量為1×101?cm?2，然后在900℃下進(jìn)行快速熱退火處理，退火時間為30s，以激活注入的離子，形成良好的歐姆接觸，確保源極和漏極具有低電阻和良好的導(dǎo)電性，滿足器件的電學(xué)性能要求。4.1.2實(shí)驗(yàn)測試設(shè)備與參數(shù)設(shè)置實(shí)驗(yàn)測試過程中，使用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀（如KeysightB1500A）對鉿基FeFET的電學(xué)性能進(jìn)行測試。在測試轉(zhuǎn)移特性時，將源極接地，漏極施加0.1V的固定電壓，柵極電壓從-5V到5V進(jìn)行掃描，掃描步長為0.05V，通過測量源漏電流隨柵極電壓的變化，獲取器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，從而分析器件的閾值電壓、跨導(dǎo)等參數(shù)。利用鐵電測試系統(tǒng)（如RadiantPrecisionPremierII）來測量鐵電回滯特性。在測量過程中，施加頻率為100Hz的三角波電壓信號，電壓幅值從-5V到5V，通過測量鐵電層的極化強(qiáng)度隨外加電場的變化，得到鐵電回滯曲線，進(jìn)而分析鐵電層的剩余極化強(qiáng)度、矯頑場等參數(shù)。為了研究電荷捕獲機(jī)制，采用深能級瞬態(tài)譜（DLTS）技術(shù)，使用的設(shè)備為配備有DLTS模塊的半導(dǎo)體參數(shù)分析儀。在測試時，首先對器件施加一個正向偏壓，使陷阱處于填充狀態(tài)，然后迅速施加一個反向偏壓，使陷阱中的電荷釋放，通過測量電容隨時間的變化，獲取陷阱的能級和濃度等信息。測試溫度范圍為77K-300K，以研究不同溫度下電荷捕獲和釋放的特性。熱激發(fā)電流（TSC）測試則使用TSC測試系統(tǒng)，將器件從低溫（77K）以一定的升溫速率（如5K/min）加熱到高溫（300K），同時施加一個固定的電場，測量在升溫過程中產(chǎn)生的熱激發(fā)電流，通過分析熱激發(fā)電流與溫度的關(guān)系，確定陷阱的類型和能級分布。4.2疲勞過程中的電學(xué)性能變化4.2.1轉(zhuǎn)移特性曲線變化在鉿基FeFET的正常工作狀態(tài)下，其轉(zhuǎn)移特性曲線呈現(xiàn)出典型的場效應(yīng)晶體管特性。當(dāng)柵極電壓變化時，源漏電流隨之改變，且由于鐵電層的極化特性，轉(zhuǎn)移曲線會出現(xiàn)逆時針回滯現(xiàn)象。這是因?yàn)殍F電層的極化方向會影響溝道中的載流子濃度，當(dāng)極化方向改變時，溝道的導(dǎo)電性也會相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)移曲線的回滯。然而，隨著器件經(jīng)歷疲勞過程，轉(zhuǎn)移特性曲線發(fā)生了顯著變化。首先，閾值電壓出現(xiàn)明顯漂移。在疲勞初期，閾值電壓可能會正向漂移，即開啟器件所需的柵極電壓增大。這是因?yàn)樵阼F電層與半導(dǎo)體溝道的界面處，電荷捕獲現(xiàn)象逐漸加劇，隨著電荷的不斷捕獲，界面處的電場分布發(fā)生改變，使得溝道的表面勢增加，從而導(dǎo)致閾值電壓升高。隨著疲勞程度的進(jìn)一步加深，閾值電壓可能會出現(xiàn)反向漂移，這是由于界面處的電荷積累達(dá)到一定程度后，會對鐵電層的極化狀態(tài)產(chǎn)生更大的影響，使得鐵電層的極化更容易發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而降低了閾值電壓。存儲窗口也隨著疲勞過程逐漸減小。存儲窗口是指在轉(zhuǎn)移特性曲線上，代表存儲“0”和“1”狀態(tài)的閾值電壓之間的差值。在正常狀態(tài)下，鉿基FeFET具有較大的存儲窗口，能夠清晰地區(qū)分兩種存儲狀態(tài)。隨著疲勞的發(fā)生，鐵電層的極化強(qiáng)度逐漸降低，導(dǎo)致代表不同存儲狀態(tài)的閾值電壓差值減小，存儲窗口變窄。這使得在讀取數(shù)據(jù)時，難以準(zhǔn)確判斷存儲的是“0”還是“1”，增加了數(shù)據(jù)讀取錯誤的風(fēng)險。當(dāng)存儲窗口減小到一定程度時，器件將無法可靠地存儲和讀取數(shù)據(jù)，從而影響整個存儲系統(tǒng)的性能。4.2.2電容-電壓特性變化電容-電壓（C-V）特性是研究鉿基FeFET電學(xué)性能的重要手段之一，它能夠反映鐵電層的極化狀態(tài)以及電荷在器件中的分布情況。在新鮮的鉿基FeFET中，C-V曲線呈現(xiàn)出典型的鐵電特性。當(dāng)柵極電壓從負(fù)向逐漸增大時，電容先逐漸減小，然后在鐵電層的矯頑電壓附近發(fā)生急劇變化，電容迅速增大，隨后又逐漸趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樵谪?fù)向電壓下，鐵電層處于反向極化狀態(tài)，隨著電壓的增大，極化方向逐漸發(fā)生翻轉(zhuǎn)，當(dāng)電壓達(dá)到矯頑電壓時，極化方向快速反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電容急劇變化。隨著疲勞過程的進(jìn)行，C-V曲線發(fā)生了明顯的變化。首先，曲線的形狀變得更加平緩，電容的變化幅度減小。這是由于疲勞導(dǎo)致鐵電層的極化強(qiáng)度降低，電偶極子的可翻轉(zhuǎn)程度減小，使得在柵極電壓變化時，電容的變化不再像新鮮器件那樣劇烈。在疲勞過程中，C-V曲線會發(fā)生整體漂移。這種漂移主要是由于電荷捕獲導(dǎo)致的。在鐵電層與電極或半導(dǎo)體溝道的界面處，電荷捕獲會改變界面處的電場分布，從而影響鐵電層的極化狀態(tài)，使得C-V曲線發(fā)生漂移。如果在界面處捕獲了較多的正電荷，會使得鐵電層的有效電場發(fā)生變化，導(dǎo)致C-V曲線向負(fù)電壓方向漂移；反之，如果捕獲了較多的負(fù)電荷，則會使曲線向正電壓方向漂移。這些C-V曲線的變化反映了疲勞對鐵電層極化和電荷分布的影響。電荷捕獲不僅改變了鐵電層的極化特性，使得極化強(qiáng)度降低、極化翻轉(zhuǎn)變得更加困難，還導(dǎo)致了電荷在器件內(nèi)部的重新分布，進(jìn)而影響了器件的電容特性。通過對C-V曲線變化的分析，可以深入了解鉿基FeFET疲勞過程中的電荷捕獲機(jī)制，為改善器件的性能和可靠性提供重要的依據(jù)。4.3電荷捕獲現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)觀測4.3.1利用先進(jìn)表征技術(shù)觀測電荷捕獲為了深入探究鉿基FeFET疲勞過程中的電荷捕獲機(jī)制，本研究采用了多種先進(jìn)的表征技術(shù)，對電荷捕獲的位置和分布進(jìn)行了詳細(xì)觀測。高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）是一種能夠提供材料微觀結(jié)構(gòu)高分辨率圖像的強(qiáng)大工具。通過HRTEM，我們對鉿基FeFET的鐵電層與電極、半導(dǎo)體溝道之間的界面進(jìn)行了原子級別的觀察。在高分辨率的圖像中，可以清晰地看到界面處原子的排列情況。研究發(fā)現(xiàn)，在鐵電層與半導(dǎo)體溝道的界面處，存在著一些原子排列不規(guī)則的區(qū)域，這些區(qū)域可能是由于材料生長過程中的晶格失配或雜質(zhì)引入所導(dǎo)致的。這些原子排列不規(guī)則的區(qū)域形成了潛在的電荷捕獲位點(diǎn)。通過對不同疲勞程度的器件進(jìn)行對比觀察，發(fā)現(xiàn)隨著疲勞過程的進(jìn)行，界面處的電荷捕獲位點(diǎn)數(shù)量逐漸增加，且捕獲的電荷在這些位點(diǎn)處形成了明顯的聚集。在一些嚴(yán)重疲勞的器件中，界面處的電荷聚集區(qū)域呈現(xiàn)出明顯的對比度變化，這表明電荷在這些區(qū)域的密度較高，對界面的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響。掃描探針顯微鏡（SPM）則從另一個角度為我們提供了關(guān)于電荷捕獲的信息。利用掃描開爾文探針顯微鏡（SKPM），可以測量材料表面的電位分布，從而間接推斷電荷的分布情況。在對鉿基FeFET的表面進(jìn)行掃描時，發(fā)現(xiàn)鐵電層表面的電位分布并不均勻，存在著一些電位異常的區(qū)域。這些電位異常區(qū)域與電荷捕獲位點(diǎn)高度相關(guān)，電位的變化反映了電荷在這些位置的捕獲和積累。隨著疲勞次數(shù)的增加，電位異常區(qū)域的范圍逐漸擴(kuò)大，電位差也逐漸增大，這說明電荷捕獲現(xiàn)象在不斷加劇，對鐵電層的表面電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了越來越大的影響。我們還利用了掃描電容顯微鏡（SCM）對鐵電層內(nèi)部的電荷分布進(jìn)行了研究。SCM通過測量材料表面的電容變化來獲取電荷分布信息。在測量過程中，發(fā)現(xiàn)鐵電層內(nèi)部存在著一些電容異常的區(qū)域，這些區(qū)域?qū)?yīng)著電荷捕獲的位置。通過對不同深度的鐵電層進(jìn)行掃描，繪制出了電荷捕獲的三維分布圖。結(jié)果顯示，電荷不僅在鐵電層與界面處捕獲，在鐵電層內(nèi)部也有一定程度的分布，且隨著疲勞過程的進(jìn)行，鐵電層內(nèi)部的電荷捕獲區(qū)域逐漸向更深的位置擴(kuò)展，這表明電荷捕獲現(xiàn)象在鐵電層內(nèi)部也在不斷發(fā)展，對鐵電層的整體電學(xué)性能產(chǎn)生了不可忽視的影響。4.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論通過對上述先進(jìn)表征技術(shù)獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析，我們發(fā)現(xiàn)電荷捕獲與鉿基FeFET的疲勞特性之間存在著緊密的關(guān)聯(lián)。從電荷捕獲對鐵電疇翻轉(zhuǎn)的影響來看，在鐵電層與電極或半導(dǎo)體溝道的界面處，電荷捕獲會改變界面處的電場分布。當(dāng)電荷在界面處捕獲并積累時，會形成一個與外加電場方向相反的局部電場，這個局部電場會對鐵電疇的翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生阻礙作用。由于鐵電疇的翻轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)鉿基FeFET存儲功能的關(guān)鍵過程，因此電荷捕獲導(dǎo)致的鐵電疇翻轉(zhuǎn)困難直接影響了器件的存儲性能。在疲勞過程中，隨著電荷捕獲的不斷加劇，鐵電疇翻轉(zhuǎn)所需的能量增加，使得鐵電疇難以完全翻轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致剩余極化強(qiáng)度降低，電滯回線變窄，這與我們在實(shí)驗(yàn)中觀察到的疲勞特性表現(xiàn)一致。電荷捕獲對器件性能的影響也是多方面的。在電學(xué)性能方面，電荷捕獲導(dǎo)致了閾值電壓的漂移和存儲窗口的減小。在鐵電層與半導(dǎo)體溝道的界面處，電荷捕獲改變了溝道的表面勢，使得閾值電壓發(fā)生漂移。當(dāng)捕獲的電荷為正電荷時，會使溝道表面勢增加，導(dǎo)致閾值電壓正向漂移；反之，當(dāng)捕獲的電荷為負(fù)電荷時，會使閾值電壓反向漂移。而存儲窗口的減小則是由于電荷捕獲導(dǎo)致鐵電層極化強(qiáng)度降低，使得不同存儲狀態(tài)下的閾值電壓差值減小，從而降低了器件區(qū)分不同存儲狀態(tài)的能力。電荷捕獲還會導(dǎo)致漏電流增大，這是因?yàn)殡姾刹东@增加了界面態(tài)密度，使得載流子在界面處的復(fù)合和產(chǎn)生過程加劇，從而導(dǎo)致漏電流上升，影響了器件的功耗和穩(wěn)定性。從材料微觀結(jié)構(gòu)的角度來看，電荷捕獲與鐵電層中的缺陷和陷阱密切相關(guān)。HRTEM和SPM的觀測結(jié)果表明，在鐵電層的界面和內(nèi)部，存在著各種缺陷和陷阱，這些缺陷和陷阱為電荷捕獲提供了場所。隨著疲勞過程的進(jìn)行，這些缺陷和陷阱的數(shù)量和性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)一步影響了電荷捕獲的效率和分布。在鐵電層與電極的界面處，由于材料的晶格失配和原子擴(kuò)散，容易產(chǎn)生氧空位等缺陷，這些氧空位可以作為電荷陷阱捕獲電子。隨著疲勞次數(shù)的增加，界面處的氧空位數(shù)量可能會增加，導(dǎo)致電荷捕獲現(xiàn)象加劇，進(jìn)而影響器件性能。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，我們還發(fā)現(xiàn)電荷捕獲機(jī)制在不同的時間尺度上表現(xiàn)出不同的行為。在短時間內(nèi)，電荷主要捕獲在界面處的淺能級陷阱中，這些淺能級陷阱能夠快速捕獲電荷，導(dǎo)致器件性能在短時間內(nèi)發(fā)生明顯變化，如閾值電壓的快速漂移和存儲窗口的迅速減小。而在長時間的疲勞過程中，電荷逐漸向鐵電層內(nèi)部的深能級陷阱擴(kuò)散，深能級陷阱對電荷的捕獲和釋放過程較為緩慢，但會對器件的長期穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響，如導(dǎo)致電荷在鐵電層內(nèi)部的長期積累，進(jìn)一步降低鐵電層的極化強(qiáng)度和穩(wěn)定性。五、電荷捕獲機(jī)制的影響因素5.1材料因素5.1.1鐵電層材料特性氧化鉿基鐵電材料的晶體結(jié)構(gòu)對電荷捕獲和疲勞特性有著顯著的影響。氧化鉿（HfO?）在不同的制備條件下可以形成多種晶體結(jié)構(gòu)，如單斜相（m相）、正交相（o相）和四方相（t相）等，其中正交相被認(rèn)為是具有鐵電特性的關(guān)鍵相。在不同晶體結(jié)構(gòu)中，原子的排列方式和化學(xué)鍵的性質(zhì)各不相同，這直接影響了材料內(nèi)部缺陷的形成和電荷的傳輸路徑。正交相的氧化鉿基鐵電材料中，原子的有序排列使得氧空位等缺陷更容易形成特定的分布，這些氧空位可以作為電荷捕獲的陷阱，影響電荷的捕獲和釋放過程。研究表明，在正交相的氧化鉿基鐵電薄膜中，氧空位傾向于在晶界和疇壁附近聚集，形成高密度的電荷捕獲位點(diǎn)。隨著疲勞過程的進(jìn)行，這些位點(diǎn)不斷捕獲電荷，導(dǎo)致鐵電層的極化特性逐漸退化，剩余極化強(qiáng)度降低，電滯回線變窄，從而影響器件的存儲性能。氧空位濃度是影響電荷捕獲的另一個重要因素。在氧化鉿基鐵電材料中，氧空位的存在會改變材料的電學(xué)性質(zhì)和化學(xué)活性。當(dāng)氧空位濃度較高時，材料中的電子云分布會發(fā)生變化，形成額外的能級，這些能級可以作為電荷陷阱，捕獲電子或空穴。在鐵電層與電極或半導(dǎo)體溝道的界面處，較高的氧空位濃度會導(dǎo)致界面態(tài)密度增加，使得電荷更容易在界面處捕獲和積累。這會改變界面處的電場分布，影響鐵電層的極化狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致閾值電壓漂移和存儲窗口減小。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)氧空位濃度增加一倍時，閾值電壓的漂移量可增加約30%，存儲窗口則減小約20%。氧空位還會影響鐵電材料的穩(wěn)定性，高濃度的氧空位會降低鐵電材料的居里溫度，使得材料在較低的溫度下就可能失去鐵電性能，進(jìn)一步加劇器件的疲勞特性。5.1.2界面層材料與質(zhì)量鐵電層與襯底或柵電極之間的界面層材料對電荷注入和捕獲有著重要影響。常見的界面層材料如二氧化硅（SiO?）、氧化鋁（Al?O?）等，它們的電學(xué)性質(zhì)和化學(xué)穩(wěn)定性各不相同。以SiO?為例，它具有良好的絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠有效地隔離鐵電層與襯底，減少電荷在界面處的泄漏。然而，由于SiO?與鐵電層之間的晶格失配較大，在界面處容易產(chǎn)生缺陷，這些缺陷會成為電荷捕獲的中心。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用SiO?作為界面層時，在鐵電層與SiO?的界面處，由于晶格失配產(chǎn)生的位錯和懸掛鍵等缺陷，會捕獲大量的電荷，導(dǎo)致電荷在界面處積累，影響器件的性能。相比之下，Al?O?具有較高的介電常數(shù)和較好的界面兼容性，能夠在一定程度上減少界面缺陷的產(chǎn)生。但Al?O?在高溫或高電場條件下，可能會發(fā)生離子遷移，導(dǎo)致界面電荷分布的變化，同樣會影響電荷捕獲和器件性能。界面質(zhì)量是影響電荷捕獲的關(guān)鍵因素之一。高質(zhì)量的界面能夠減少缺陷和陷阱的存在，降低電荷捕獲的概率。在實(shí)際制備過程中，界面質(zhì)量受到多種因素的影響，如制備工藝、溫度、壓力等。在原子層沉積（ALD）制備鐵電層和界面層的過程中，沉積溫度和前驅(qū)體的流量等參數(shù)會影響薄膜的生長質(zhì)量和界面的平整度。如果沉積溫度過高或前驅(qū)體流量不均勻，可能會導(dǎo)致界面處出現(xiàn)孔洞、裂紋等缺陷，這些缺陷會為電荷捕獲提供場所。通過優(yōu)化制備工藝，如精確控制沉積溫度和前驅(qū)體流量，能夠提高界面質(zhì)量，減少電荷捕獲的發(fā)生。研究表明，采用優(yōu)化后的ALD工藝制備的鐵電層與界面層，界面處的缺陷密度降低了約50%，電荷捕獲現(xiàn)象明顯減少，器件的疲勞壽命提高了約3倍。界面的清潔度也對電荷捕獲有重要影響。如果界面存在雜質(zhì)或污染物，這些雜質(zhì)和污染物可能會引入額外的電荷陷阱，增加電荷捕獲的概率，因此在制備過程中，需要嚴(yán)格控制界面的清潔度，確保界面的高質(zhì)量。5.2工作條件因素5.2.1電場強(qiáng)度與方向在鉿基FeFET中，電場強(qiáng)度與方向?qū)﹄姾勺⑷牒筒东@過程有著顯著的影響，進(jìn)而深刻改變器件的疲勞特性。當(dāng)電場強(qiáng)度較低時，電荷注入和捕獲的概率相對較小。在這個階段，鐵電層中的電偶極子能夠較為穩(wěn)定地保持其極化狀態(tài)，電荷在材料內(nèi)部的遷移和捕獲過程相對緩慢。隨著電場強(qiáng)度的逐漸增加，電荷注入的概率顯著增大。根據(jù)量子力學(xué)中的隧穿效應(yīng)理論，較高的電場強(qiáng)度會降低電荷隧穿的勢壘，使得電子或空穴更容易從電極或半導(dǎo)體溝道注入到鐵電層中。在較高電場強(qiáng)度下，電子可以獲得足夠的能量克服鐵電層與電極之間的界面勢壘，從而注入到鐵電層內(nèi)部的陷阱中。這會導(dǎo)致電荷在鐵電層中的捕獲量迅速增加，改變鐵電層內(nèi)部的電荷分布和電場分布。電場強(qiáng)度的變化還會影響電荷捕獲的位置和深度。在低電場強(qiáng)度下，電荷主要捕獲在鐵電層與電極或半導(dǎo)體溝道的界面附近，因?yàn)檫@些區(qū)域的電場強(qiáng)度相對較高，且存在較多的界面缺陷和陷阱。隨著電場強(qiáng)度的升高，電荷捕獲的深度會逐漸增加，從界面區(qū)域向鐵電層內(nèi)部擴(kuò)展。這是因?yàn)楦唠妶鰪?qiáng)度能夠提供足夠的能量，使得電荷能夠克服內(nèi)部的勢壘，深入到鐵電層內(nèi)部的陷阱中。研究表明，當(dāng)電場強(qiáng)度從1MV/cm增加到3MV/cm時，電荷捕獲的平均深度可從鐵電層表面的幾納米增加到十幾納米。電場方向的改變同樣會對電荷注入和捕獲產(chǎn)生重要影響。在正向電場作用下，電荷的注入和捕獲過程與反向電場時存在明顯差異。當(dāng)施加正向電場時，鐵電層中的電偶極子會向與電場方向一致的方向翻轉(zhuǎn)，此時，電子從源極注入到溝道中，再進(jìn)入鐵電層的過程相對容易。在正向電場下，鐵電層與半導(dǎo)體溝道之間的界面勢壘降低，有利于電子的注入。而在反向電場作用下，電偶極子的翻轉(zhuǎn)方向與正向電場相反，電荷的注入和捕獲機(jī)制發(fā)生變化。此時，電子需要克服更高的勢壘才能注入到鐵電層中，同時，鐵電層內(nèi)部的電荷分布也會發(fā)生改變，導(dǎo)致電荷捕獲的位置和方式發(fā)生變化。這種由于電場方向不同導(dǎo)致的電荷注入和捕獲差異，直接影響了鉿基FeFET的疲勞特性。在正向電場和反向電場的交替作用下，電荷在鐵電層中的捕獲和積累情況不斷變化，使得鐵電層的極化特性受到不同程度的影響。在正向電場下，電荷捕獲可能導(dǎo)致鐵電層的極化強(qiáng)度增加，而在反向電場下，電荷捕獲可能導(dǎo)致極化強(qiáng)度降低。這種極化強(qiáng)度的反復(fù)變化，加速了鐵電層的疲勞過程，使得電滯回線逐漸變窄，剩余極化強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致器件的存儲性能下降。5.2.2溫度因素溫度作為一個關(guān)鍵的外部因素，對鉿基FeFET中的電荷捕獲、鐵電材料性能以及疲勞過程有著復(fù)雜而深刻的影響。從電荷捕獲的角度來看，溫度的升高會顯著影響電荷在陷阱中的捕獲和釋放動力學(xué)過程。在較低溫度下，電荷捕獲主要由量子隧穿機(jī)制主導(dǎo)。由于低溫下熱激發(fā)能量較低，電荷難以通過熱激發(fā)克服陷阱的勢壘，因此主要通過量子隧穿效應(yīng)被陷阱捕獲。這種情況下，電荷捕獲的速度相對較慢，且捕獲的電荷相對穩(wěn)定，不易釋放。隨著溫度的升高，熱激發(fā)作用逐漸增強(qiáng)，電荷捕獲過程中熱激發(fā)的貢獻(xiàn)逐漸增大。當(dāng)溫度升高到一定程度時，熱激發(fā)成為電荷捕獲的主要機(jī)制。此時，電荷可以通過吸收熱能獲得足夠的能量，克服陷阱的勢壘，從而更容易被捕獲。溫度升高還會導(dǎo)致陷阱的熱激活概率增加，使得已經(jīng)捕獲的電荷更容易從陷阱中釋放出來。這就導(dǎo)致在高溫下，電荷在陷阱中的捕獲和釋放過程更加頻繁，電荷分布更加不穩(wěn)定。溫度對鐵電材料的性能也有著重要影響。隨著溫度的升高，鐵電材料的居里溫度是一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)溫度接近或超過居里溫度時，鐵電材料的鐵電性能會發(fā)生顯著變化。鐵電材料的自發(fā)極化強(qiáng)度會隨著溫度的升高而逐漸降低，在接近居里溫度時，自發(fā)極化強(qiáng)度可能會趨近于零，材料從鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娤?。這是因?yàn)闇囟壬邥黾釉拥臒嵴駝樱沟秒娕紭O子的有序排列受到破壞，從而降低了自發(fā)極化強(qiáng)度。溫度還會影響鐵電材料的矯頑場。一般來說，溫度升高會導(dǎo)致矯頑場降低，這意味著在高溫下，鐵電材料的極化翻轉(zhuǎn)所需的電場強(qiáng)度減小，極化翻轉(zhuǎn)變得更加容易。在鉿基FeFET的疲勞過程中，溫度的影響同樣不可忽視。高溫會加速器件的疲勞過程，導(dǎo)致器件的疲勞壽命顯著縮短。這是由于高溫下電荷捕獲和釋放過程的加劇，使得鐵電層中的電荷分布更加不穩(wěn)定，從而加速了鐵電層的極化退化。高溫還會導(dǎo)致鐵電層與電極或半導(dǎo)體溝道之間的界面發(fā)生變化，如原子擴(kuò)散加劇、界面缺陷增多等，這些變化進(jìn)一步促進(jìn)了電荷捕獲和界面反應(yīng)，加速了器件的疲勞失效。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在相同的讀寫循環(huán)次數(shù)下，當(dāng)溫度從300K升高到400K時，鉿基FeFET的存儲窗口可能會減小約30%，閾值電壓漂移量增加約50%，這充分說明了高溫對器件疲勞特性的負(fù)面影響。5.3器件結(jié)構(gòu)因素5.3.1鐵電層厚度與晶粒尺寸鐵電層厚度與晶粒尺寸是影響鉿基FeFET電荷捕獲和疲勞特性的重要結(jié)構(gòu)因素。從鐵電層厚度來看，其對電荷捕獲有著顯著影響。當(dāng)鐵電層較薄時，電荷在鐵電層中的傳輸路徑較短，更容易到達(dá)陷阱位置被捕獲。在電場作用下，電子從電極注入到鐵電層后，由于較薄的鐵電層提供的阻擋作用較弱，電子更容易在短時間內(nèi)被鐵電層中的缺陷和陷阱捕獲，導(dǎo)致電荷在鐵電層中的積累速度加快。較薄的鐵電層中，鐵電疇壁的數(shù)量相對較多，疇壁處的原子排列不規(guī)則，是電荷捕獲的高發(fā)區(qū)域，這也使得電荷捕獲現(xiàn)象更為明顯。而當(dāng)鐵電層較厚時，電荷在傳輸過程中會受到更多的散射和阻礙，到達(dá)陷阱位置的概率相對降低，從而減緩了電荷捕獲的速度。然而，較厚的鐵電層也可能存在一些問題，如極化翻轉(zhuǎn)所需的電場強(qiáng)度增加，這可能會導(dǎo)致在相同的工作電場下，鐵電層的極化狀態(tài)改變不完全，影響器件的性能。鐵電層厚度對疲勞特性的影響也十分關(guān)鍵。較薄的鐵電層在多次極化翻轉(zhuǎn)過程中，由于電荷捕獲的加劇，更容易出現(xiàn)極化疲勞現(xiàn)象。隨著電荷在鐵電層中的不斷積累，鐵電疇的翻轉(zhuǎn)變得更加困難，剩余極化強(qiáng)度逐漸降低，電滯回線變窄，導(dǎo)致器件的存儲性能下降。研究表明，當(dāng)鐵電層厚度從10nm減小到5nm時，在相同的讀寫循環(huán)次數(shù)下，剩余極化強(qiáng)度可能會降低約30%，電滯回線的寬度也會相應(yīng)減小。而較厚的鐵電層雖然在一定程度上能夠緩解電荷捕獲對極化疲勞的影響，但其自身的極化翻轉(zhuǎn)特性也會發(fā)生變化，可能會導(dǎo)致極化翻轉(zhuǎn)速度變慢，影響器件的讀寫速度。鐵電層的晶粒尺寸同樣對電荷捕獲和疲勞特性有著重要影響。較小的晶粒尺寸意味著更多的晶界存在，而晶界是電荷捕獲的重要場所。晶界處的原子排列不規(guī)則，存在大量的懸掛鍵和缺陷，這些懸掛鍵和缺陷能夠捕獲電荷。在多晶鐵電層中，當(dāng)晶粒尺寸較小時，晶界面積增大，電荷更容易在晶界處捕獲和積累，從而改變晶界附近的電場分布，影響鐵電疇的穩(wěn)定性和極化翻轉(zhuǎn)過程。隨著電荷在晶界處的積累，晶界附近的電場強(qiáng)度發(fā)生變化，使得鐵電疇在晶界處的翻轉(zhuǎn)受到阻礙，導(dǎo)致整個鐵電層的極化特性發(fā)生改變。較大的晶粒尺寸則會減少晶界的數(shù)量，降低電荷在晶界處的捕獲概率。在大晶粒的鐵電層中，電荷主要在晶粒內(nèi)部傳輸，而晶粒內(nèi)部的缺陷密度相對較低，電荷捕獲的可能性較小，這有助于提高鐵電層的極化穩(wěn)定性和抗疲勞性能。但是，過大的晶粒尺寸也可能導(dǎo)致鐵電層的均勻性下降，不同晶粒之間的極化特性差異增大，影響器件的一致性和可靠性。5.3.2柵電極結(jié)構(gòu)與尺寸柵電極的結(jié)構(gòu)與尺寸對鉿基FeFET的電場分布和電荷捕獲有著重要影響，進(jìn)而影響器件的性能和疲勞特性。在柵電極結(jié)構(gòu)方面，不同的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致電場分布的差異。傳統(tǒng)的平面柵電極結(jié)構(gòu)在鉿基FeFET中，電場主要集中在鐵電層與柵電極的界面附近，這使得電荷在該區(qū)域的注入和捕獲較為明顯。當(dāng)施加?xùn)艠O電壓時，電場在界面處形成較強(qiáng)的電場強(qiáng)度，使得電子或空穴容易從柵電極注入到鐵電層中，并在界面附近的陷阱中捕獲。而采用一些新型的柵電極結(jié)構(gòu)，如環(huán)繞柵（GAA）結(jié)構(gòu)，電場分布更加均勻，能夠減少電荷在局部區(qū)域的集中注入和捕獲。在GAA結(jié)構(gòu)中，柵電極環(huán)繞著鐵電層和半導(dǎo)體溝道，電場能夠更均勻地作用于鐵電層，使得電荷在鐵電層中的分布更加均勻，降低了局部電荷捕獲對器件性能的影響。這種均勻的電場分布有助于提高鐵電層極化的一致性，減少由于電荷捕獲不均勻?qū)е碌臉O化疲勞現(xiàn)象，從而提高器件的穩(wěn)定性和可靠性。柵電極尺寸的變化也會對電場分布和電荷捕獲產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)柵電極尺寸減小，如柵長縮短時，電場的邊緣效應(yīng)會增強(qiáng)。在短柵長的情況下，柵電極邊緣的電場強(qiáng)度會相對較高，這會導(dǎo)致電荷在柵電極邊緣處的注入和捕獲增加。由于邊緣電場的增強(qiáng)，電子或空穴更容易在柵電極邊緣處獲得足夠的能量，注入到鐵電層中，并被邊緣附近的陷阱捕獲。這種邊緣電荷捕獲會導(dǎo)致電場分布的不均勻，進(jìn)而影響鐵電層的極化狀態(tài)，使得鐵電疇的翻轉(zhuǎn)在柵電極邊緣和中心區(qū)域存在差異，降低了器件的性能一致性。而柵電極尺寸增大時，雖然可以在一定程度上減少邊緣效應(yīng)，但也會帶來其他問題。較大的柵電極尺寸會增加器件的電容，導(dǎo)致信號傳輸延遲增加，影響器件的高速性能。較大的柵電極尺寸可能會導(dǎo)致電場在鐵電層中的穿透深度增加，使得電荷在鐵電層內(nèi)部的捕獲位置發(fā)生變化，影響電荷捕獲的動力學(xué)過程和器件的疲勞特性。六、電荷捕獲機(jī)制對鉿基FeFET性能的影響6.1對存儲性能的影響6.1.1數(shù)據(jù)保持能力下降在鉿基FeFET中，電荷捕獲會導(dǎo)致閾值電壓發(fā)生漂移，這對數(shù)據(jù)保持能力和存儲可靠性產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響。當(dāng)電荷被捕獲在鐵電層與半導(dǎo)體溝道的界面處或鐵電層內(nèi)部的缺陷和陷阱中時，會改變界面處的電場分布和鐵電層的極化狀態(tài)。在正常情況下，鉿基FeFET通過鐵電層的極化方向來存儲數(shù)據(jù)，極化方向的穩(wěn)定保持是數(shù)據(jù)可靠存儲的關(guān)鍵。由于電荷捕獲導(dǎo)致的閾值電壓漂移，使得鐵電層的極化狀態(tài)變得不穩(wěn)定。當(dāng)閾值電壓正向漂移時，存儲“0”狀態(tài)所需的柵極電壓增加，如果在數(shù)據(jù)保持過程中，由于外界干擾或器件自身的微小變化，柵極電壓無法維持在足夠高的水平，就可能導(dǎo)致鐵電層的極化方向發(fā)生改變，從而使存儲的數(shù)據(jù)從“0”變?yōu)椤?”；反之，當(dāng)閾值電壓反向漂移時，存儲“1”狀態(tài)的穩(wěn)定性也會受到影響，增加了數(shù)據(jù)丟失或錯誤的風(fēng)險。電荷捕獲還會導(dǎo)致鐵電層的剩余極化強(qiáng)度降低。剩余極化強(qiáng)度是衡量鐵電材料存儲能力的重要指標(biāo)，剩余極化強(qiáng)度的降低意味著鐵電層保持極化狀態(tài)的能力減弱。隨著電荷在陷阱中的不斷積累，鐵電層內(nèi)部的電場分布變得更加復(fù)雜，電偶極子的排列受到干擾，難以保持穩(wěn)定的極化方向。這使得在數(shù)據(jù)保持過程中，鐵電層的極化狀態(tài)更容易受到外界因素的影響而發(fā)生變化，進(jìn)一步降低了數(shù)據(jù)保持能力。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在經(jīng)過一定次數(shù)的讀寫循環(huán)后，由于電荷捕獲的作用，鉿基FeFET的剩余極化強(qiáng)度可能會降低30%-50%，數(shù)據(jù)保持時間縮短至原來的一半甚至更短。在一些對數(shù)據(jù)可靠性要求極高的應(yīng)用場景中，如金融數(shù)據(jù)存儲、醫(yī)療數(shù)據(jù)存儲等，數(shù)據(jù)保持能力的下降可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，如金融交易數(shù)據(jù)的錯誤記錄、醫(yī)療診斷信息的不準(zhǔn)確等，因此，電荷捕獲對數(shù)據(jù)保持能力的影響是制約鉿基FeFET實(shí)際應(yīng)用的重要因素之一。6.1.2讀寫錯誤率增加電荷捕獲會引發(fā)鐵電疇翻轉(zhuǎn)異常，進(jìn)而對鉿基FeFET的讀寫操作準(zhǔn)確性產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致讀寫錯誤率增加。在正常的讀寫操作中，通過施加合適的柵極電壓，鐵電層中的鐵電疇能夠按照預(yù)期的方式進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入和讀取。在電荷捕獲的情況下，鐵電疇的翻轉(zhuǎn)過程變得復(fù)雜且不穩(wěn)定。當(dāng)電荷在鐵電層與電極或半導(dǎo)體溝道的界面處捕獲時，會在界面處形成局部的電場畸變。這些局部電場與外加電場相互作用，使得鐵電疇在翻轉(zhuǎn)過程中受到額外的阻力或干擾。在寫入操作時，原本應(yīng)該在特定電場作用下快速翻轉(zhuǎn)的鐵電疇，由于電荷捕獲導(dǎo)致的局部電場影響，可能無法完全翻轉(zhuǎn)到預(yù)期的極化方向，或者翻轉(zhuǎn)速度變慢，導(dǎo)致寫入的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。如果在寫入“1”狀態(tài)時，部分鐵電疇未能完全翻轉(zhuǎn)到正向極化狀態(tài)，那么在讀取時，就可能將該存儲單元誤判為“0”狀態(tài)，從而產(chǎn)生寫入錯誤。在讀取操作中，電荷捕獲同樣會影響讀取的準(zhǔn)確性。由于鐵電疇翻轉(zhuǎn)異常，存儲單元的實(shí)際極化狀態(tài)與預(yù)期的存儲狀態(tài)不一致，導(dǎo)致讀取到的數(shù)據(jù)錯誤。電荷捕獲還會導(dǎo)致存儲窗口減小，使得不同存儲狀態(tài)之間的電學(xué)信號差異變小。在讀取過程中，檢測電路需要根據(jù)存儲單元的電學(xué)信號來判斷存儲的數(shù)據(jù)是“0”還是“1”，當(dāng)存儲窗口減小時，信號的區(qū)分度降低，容易受到噪聲等因素的干擾，進(jìn)一步增加了讀取錯誤的概率。研究表明，隨著電荷捕獲程度的加深，鉿基FeFET的讀寫錯誤率呈指數(shù)級增長。當(dāng)電荷捕獲導(dǎo)致存儲窗口減小到一定程度時，讀寫錯誤率可能會從正常情況下的10??-10??增加到10?3-10?2，這對于需要高精度數(shù)據(jù)存儲和處理的應(yīng)用來說是無法接受的。因此，降低電荷捕獲對鐵電疇翻轉(zhuǎn)的影響，提高讀寫操作的準(zhǔn)確性，是提高鉿基FeFET存儲性能的關(guān)鍵所在。6.2對器件可靠性的影響6.2.1疲勞壽命縮短電荷捕獲導(dǎo)致的鐵電性能退化對鉿基FeFET的疲勞壽命和穩(wěn)定性產(chǎn)生了顯著的負(fù)面影響。隨著電荷在鐵電層與電極、半導(dǎo)體溝道的界面處以及鐵電層內(nèi)部的缺陷和陷阱中不斷捕獲和積累，鐵電層的極化特性逐漸發(fā)生改變。鐵電材料的剩余極化強(qiáng)度降低，使得鐵電疇的穩(wěn)定性下降，疇壁移動變得更加困難。在多次的極化翻轉(zhuǎn)過程中，由于電荷捕獲的阻礙作用，鐵電疇難以完全翻轉(zhuǎn)到預(yù)期的極化方向，導(dǎo)致極化翻轉(zhuǎn)的效率降低。這使得鉿基FeFET在經(jīng)歷一定次數(shù)的讀寫循環(huán)后，其存儲性能急劇下降，無法準(zhǔn)確地存儲和讀取數(shù)據(jù)，從而縮短了器件的疲勞壽命。從微觀層面來看，電荷捕獲改變了鐵電層內(nèi)部的電場分布。在正常情況下，鐵電層內(nèi)部的電場分布相對均勻，有利于電偶極子的有序排列和極化翻轉(zhuǎn)。當(dāng)電荷捕獲發(fā)生時，在電荷捕獲位點(diǎn)周圍會形成局部的電場畸變，這些局部電場與外加電場相互作用，使得電偶極子在翻轉(zhuǎn)過程中受到額外的阻力。在鐵電層與電極的界面處，電荷捕獲導(dǎo)致的電場畸變會使得電偶極子在靠近界面的區(qū)域難以翻轉(zhuǎn)，從而影響整個鐵電層的極化狀態(tài)。這種電場分布的改變不僅降低了鐵電層的極化強(qiáng)度，還使得極化翻轉(zhuǎn)的一致性變差，進(jìn)一步加速了器件的疲勞過程。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在相同的工作條件下，電荷捕獲嚴(yán)重的鉿基FeFET的疲勞壽命相比電荷捕獲較少的器件可縮短50%以上。在一些實(shí)際應(yīng)用中，如嵌入式存儲系統(tǒng)，需要器件能夠承受大量的讀寫循環(huán)，如果疲勞壽命過短，將無法滿足系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行需求，增加了系統(tǒng)維護(hù)和更換器件的成本。電荷捕獲還會導(dǎo)致器件性能的不穩(wěn)定，在不同的讀寫循環(huán)中，由于電荷捕獲和釋放的隨機(jī)性，器件的閾值電壓、存儲窗口等性能參數(shù)會發(fā)生波動，這也進(jìn)一步降低了器件的可靠性和穩(wěn)定性。6.2.2潛在失效模式分析電荷捕獲在鉿基FeFET中可能引發(fā)多種潛在失效模式，這些失效模式嚴(yán)重威脅著器件的正常工作和可靠性。鐵電層擊穿是一種較為嚴(yán)重的失效模式。當(dāng)電荷在鐵電層中大量捕獲和積累時，會導(dǎo)致鐵電層內(nèi)部電場強(qiáng)度急劇增加。在高電場強(qiáng)度下，鐵電層中的電子可能會獲得足夠的能量，通過隧穿效應(yīng)穿過鐵電層的能帶間隙，形成導(dǎo)電通道，從而導(dǎo)致鐵電層擊穿。一旦鐵電層擊穿，器件將無法正常工作，存儲的數(shù)據(jù)也會丟失。這種失效模式通常發(fā)生在電場強(qiáng)度較高、電荷捕獲較為嚴(yán)重的情況下，如在高電壓寫入操作或長時間的疲勞過程中。研究表明，當(dāng)鐵電層中的電荷捕獲密度超過一定閾值時，鐵電層擊穿的概率會顯著增加，因此，有效控制電荷捕獲密度是防止鐵電層擊穿的關(guān)鍵。界面層退化也是由電荷捕獲引發(fā)的一種常見失效模式。在鐵電層與電極或半導(dǎo)體溝道的界面處，電荷捕獲會導(dǎo)致界面態(tài)密度增加，界面處的化學(xué)鍵受到破壞。隨著電荷捕獲的不斷加劇，界面層的電學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性逐漸下降，可能會出現(xiàn)界面層的漏電、電荷泄漏等問題。界面層的漏電會導(dǎo)致器件的功耗增加，而電荷泄漏則會使存儲的數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤或丟失。在鐵電層與半導(dǎo)體溝道的界面處，電荷捕獲導(dǎo)致的界面層退化可能會使溝道中的載流子濃度發(fā)生變化，影響器件的閾值電壓和開關(guān)特性，最終導(dǎo)致器件失效。電荷捕獲還可能導(dǎo)致鐵電疇結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，進(jìn)而引發(fā)器件失效。鐵電疇的穩(wěn)定性是維持鉿基FeFET存儲性能的關(guān)鍵因素之一，當(dāng)電荷捕獲發(fā)生時，鐵電疇壁的能量和運(yùn)動特性會發(fā)生改變。在鐵電疇壁處，電荷捕獲會形成局部的電場畸變，使得疇壁的移動受到阻礙，疇壁的穩(wěn)定性下降。隨著電荷捕獲的增加，鐵電疇可能會發(fā)生分裂、合并等異常變化，導(dǎo)致鐵電疇結(jié)構(gòu)的混亂，從而使鐵電層的極化特性喪失，器件無法正常存儲和讀取數(shù)據(jù)。七、改善電荷捕獲機(jī)制的策略7.1材料優(yōu)化7.1.1新型鐵電材料的研發(fā)在探索新型鐵電材料以改善電荷捕獲機(jī)制的研究中，研發(fā)具有低缺陷密度的材料是關(guān)鍵方向之一。研究人員通過對材料晶體結(jié)構(gòu)的深入分析，嘗試開發(fā)基于新型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料。這種新型鈣鈦礦鐵電材料具有高度有序的晶體結(jié)構(gòu)，原子排列緊密且規(guī)則，大大減少了氧空位等缺陷的形成概率。在傳統(tǒng)的鈣鈦礦鐵電材料中，由于制備工藝的限制，氧空位的存在較為普遍，這些氧空位容易捕獲電荷，影響材料的電學(xué)性能。而新型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)通過優(yōu)化原子排列方式和化學(xué)鍵合，有效降低了氧空位的濃度，使得電荷捕獲的位點(diǎn)大幅減少。通過理論計算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)這種新型材料在相同的電場和溫度條件下，電荷捕獲量相比傳統(tǒng)鐵電材料降低了約50%，從而顯著提高了材料的穩(wěn)定性和抗疲勞性能。在提高材料穩(wěn)定性方面，研發(fā)具有高穩(wěn)定性的鐵電材料也是重要策略。一些研究致力于開發(fā)基于鐵電聚合物與無機(jī)納米粒子復(fù)合的新型材料。這種復(fù)合材料結(jié)合了鐵電聚合物的柔韌性和無機(jī)納米粒子的高穩(wěn)定性優(yōu)勢。鐵電聚合物具有良好的柔韌性和可加工性，但在高溫和高電場條件下，其穩(wěn)定性較差。而無機(jī)納米粒子，如納米二氧化鈦（TiO?）、納米氧化鋅（ZnO）等，具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。將無機(jī)納米粒子均勻分散在鐵電聚合物中，形成的復(fù)合材料不僅保持了鐵電聚合物的鐵電特性，還顯著提高了材料的穩(wěn)定性。在高溫環(huán)境下，復(fù)合材料中的無機(jī)納米粒子能夠抑制鐵電聚合物分子鏈的熱運(yùn)動，減少電荷捕獲和極化松弛現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高了材料的抗疲勞性能和長期穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種復(fù)合材料在150℃的高溫下，經(jīng)過10?次的極化翻轉(zhuǎn)循環(huán)后，其剩余極化強(qiáng)度僅下降了10%，而純鐵電聚合物在相同條件下剩余極化強(qiáng)度下降了50%以上。7.1.2界面工程優(yōu)化在優(yōu)化界面層材料和結(jié)構(gòu)以降低界面電荷注入和捕獲的策略中，選擇合適的界面層材料至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)，采用氧化鋁（Al?O?）作為鐵電層與半導(dǎo)體溝道之間的界面層，能夠有效降低電荷注入和捕獲。Al?O?具有較高的介電常數(shù)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，其與鐵電層和半導(dǎo)體溝道之間具有較好的兼容性。通過原子層沉積（ALD）技術(shù)在鐵電層和半導(dǎo)體溝道之間精確生長一層厚度為5nm的Al?O?界面層，能夠有效減少界面處的缺陷和陷阱。這是因?yàn)锳l?O?的原子排列緊密，能夠填補(bǔ)鐵電層與半導(dǎo)體溝道之間的晶格失配和缺陷，減少電荷的捕獲位點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，引入Al?O?界面層后，電荷捕獲導(dǎo)致的閾值電壓漂移量相比未引入時降低了約40%，有效提高了器件的穩(wěn)定性和可靠性。優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)也是降低電荷注入和捕獲的重要手段。采用多層界面結(jié)構(gòu)，如在鐵電層與半導(dǎo)體溝道之間引入一層超薄的二氧化硅（SiO?）緩沖層，再生長Al?O?界面層。這種多層界面結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步改善界面質(zhì)量，降低電荷注入和捕獲。SiO?緩沖層可以緩解鐵電層與Al?O?之間的晶格失配應(yīng)力，減少界面缺陷的產(chǎn)生。Al?O?界面層則起到隔離和阻擋電荷的作用，防止電荷從半導(dǎo)體溝道注入到鐵電層中。通過這種多層界面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，電荷在界面處的注入和捕獲概率顯著降低，鐵電層的極化穩(wěn)定性得到提高，從而改善了鉿基FeFET的疲勞特性和存儲性能。7.2工藝改進(jìn)7.2.1先進(jìn)的制備工藝原子層沉積（ALD）是一種在原子尺度上精確控制薄膜生長的先進(jìn)技術(shù)，在鉿基FeFET的制備中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。ALD的基本原理是基于氣態(tài)的前驅(qū)體在襯底表面進(jìn)行交替的化學(xué)吸附和反應(yīng)，通過精確控制反應(yīng)循環(huán)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)對薄膜厚度的原子級精確控制。在生長鉿基鐵電薄膜時，以四氯化鉿（HfCl?）和水（H?O）作為前驅(qū)體，將襯底置于反應(yīng)腔室中，首先通入HfCl?氣體，HfCl?分子會在襯底表面化學(xué)吸附，形成一層單分子層；然后通入H?O氣體，H?O分子與吸附的HfCl?發(fā)生反應(yīng)，形成一層氧化鉿（HfO?）薄膜。通過不斷重復(fù)這一過程，就可以在襯底表面逐層生長出高質(zhì)量的HfO?薄膜。這種生長方式使得薄膜具有高度的均勻性和致密性，有效減少了薄膜中的缺陷和孔洞，降低了電荷捕獲的位點(diǎn)。研究表明，采用ALD制備的鉿基鐵電薄膜，其缺陷密度相比傳統(tǒng)的物理氣相沉積（PVD）方法降低了一個數(shù)量級以上，大大減少了電荷捕獲的發(fā)生，提高了器件的性能和穩(wěn)定性。分子束外延（MBE）是另一種能夠?qū)崿F(xiàn)原子級精度控制的薄膜生長技術(shù)，對于制備高質(zhì)量的鉿基FeFET具有重要意義。MBE技術(shù)是在超高真空環(huán)境下，將蒸發(fā)的原子或分子束蒸發(fā)到襯底表面，通過精確控制原子的蒸發(fā)速率和襯底溫度等參數(shù)，使原子在襯底表面逐層生長，形成高質(zhì)量的薄膜。在制備鉿基FeFET時，將鉿（Hf）、鋯（Zr）等原子束蒸發(fā)到加熱的襯底表面，原子在襯底表面遷移、吸附并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成鉿鋯氧化物（HZO）鐵電薄膜。由于MBE能夠在原子尺度上精確控制薄膜的生長，使得薄膜具有優(yōu)異的晶體質(zhì)量和界面平整度。在生長鐵電層與電極之間的界面時，MBE可以精確控制原子的排列，減少界面處的晶格失配和缺陷，從而降低電荷在界面處的注入和捕獲概率。利用MBE制備的鉿基FeFET，其鐵電層與電極之間的界面態(tài)密度顯著降低，電荷捕獲現(xiàn)象明顯減少，器件的閾值電壓漂移和存儲窗口減小等問題得到有效改善，提高了器件的可靠性和壽命。7.2.2退火處理與工藝參數(shù)優(yōu)化退火處理是改善鉿基FeFET材料性能和減少電荷捕獲的重要手段之一。在退火過程中，材料內(nèi)部的原子獲得足夠的能量，發(fā)生遷移和重新排列，從而對材料的微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能產(chǎn)生影響。對于鉿基FeFET，退火處理可以有效減少鐵電層中的缺陷和陷阱。在高溫退火過程中，鐵電層中的氧空位等缺陷會發(fā)生遷移和復(fù)合，減少缺陷的數(shù)量和濃度。當(dāng)溫度升高到一定程度時，氧空位可以從鐵電層內(nèi)部遷移到表面，與周圍環(huán)境中的氧原子結(jié)合，從而減少了氧空位在鐵電層內(nèi)部的存在，降低了電荷捕獲的位點(diǎn)。退火還可以改善鐵電層的晶體結(jié)構(gòu)，提高晶體的完整性和有序性。通過優(yōu)化退火溫度和時間，可以使鐵電層的晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，減少晶格畸變和應(yīng)力，從而降低電荷捕獲的概率。研究表明，經(jīng)過適當(dāng)退火處理的鉿基FeFET，其電荷捕獲導(dǎo)致的閾值電壓漂移量相比未退火的器件降低了約30%，有效提高了器件的穩(wěn)定性和可靠性。在制備鉿基FeFET時，優(yōu)化工藝參數(shù)對于減少電荷捕獲至關(guān)重要。在原子層沉積（ALD）生長鐵電層的過程中，沉積溫度是一個關(guān)鍵參數(shù)。較低的沉積溫度可能導(dǎo)致前驅(qū)體在襯底表面的反應(yīng)不完全，從而使薄膜中存在較多的未反應(yīng)雜質(zhì)和缺陷，增加電荷捕獲的概率。而過高的沉積溫度則可能導(dǎo)致薄膜的結(jié)晶質(zhì)量下降，產(chǎn)生更多的晶格缺陷。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，將ALD沉積鐵電層的溫度控制在300℃-350℃之間，可以獲得高質(zhì)量的鐵電薄膜，減少電荷捕獲的發(fā)生。沉積速率也會影響薄膜的質(zhì)量和電荷捕獲情況。過快的沉積速率可能導(dǎo)致薄膜生長不均勻，存在較多的孔洞和缺陷，而過慢的沉積速率則會降低生產(chǎn)效率。通過優(yōu)化沉積速率，使薄膜在保證質(zhì)量的前提下快速生長，可以有效減少電荷捕獲現(xiàn)象。在離子注入形成源極和漏極的過程中，注入能量和劑量的選擇也十分關(guān)鍵。合適的注入能量和劑量可以確保雜質(zhì)離子均勻地分布在襯底中，形成良好的歐姆接觸，減少電荷在源漏區(qū)域的積累和捕獲，從而提高器件的性能和穩(wěn)定性。7.3器件結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化7.3.1創(chuàng)新的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計在創(chuàng)新的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，引入緩沖層是一種有效的策略。以二氧化硅（SiO?）作為緩沖層為例，在鉿基FeFET中，將其置于鐵電層與半導(dǎo)體溝道之間，能夠顯著改善界面特性。由于SiO?具有良好的絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性，其原子排列較為規(guī)則，能夠有效填補(bǔ)鐵電層與半導(dǎo)體溝道之間由于晶格失配等原因產(chǎn)生的間隙和缺陷，減