Ⅲ族元素(La, Y, Al, Gd)掺杂对HZO薄膜铁电特性影响的研究

刘济荣¹

扫码查看

作者信息

1. 浙江大学
折叠

摘要

在大数据时代，人们对高性能、高集成度、低功耗、低成本的半导体存储器技术的需求在日益增长，因此挖掘与发展以新材料与新器件为基础的存储器技术是大势所趋。氧化铪基铁电存储器是实现低写入功耗的非易失性存储器的理想解决方案，但是目前国内外的研究处于起步阶段，氧化铪基铁电薄膜在商业化的应用中仍然面临着一系列问题。对于氧化铪基铁电薄膜的铁电性能提升和耐久性改善仍有大量问题亟待解决，且目前对于氧化铪基铁电薄膜掺杂效应和氧空位的理论计算研究较少。因此本文针对铁电存储器存在的问题与挑战，以目前最受关注的HZO铁电薄膜作为研究对象，从实验以及第一性原理计算角度全面了解掺杂效应对HZO薄膜的影响，并为后续HZO铁电薄膜的性能和器件优化提出可行性方案。首先通过La的掺杂成功制备了性能优异的HZLO铁电薄膜，将其耐久性提升了一个量级，漏电流减小了30%，这为氧化铪基铁电薄膜的应用奠定了基础。然后通过第一性原理计算了解La掺杂对HZO薄膜铁电性提升的背后物理机制，同时与其他Ⅲ族元素对比（Al，Y，Gd），研究发现在四种掺杂元素中，La对HZO中铁电相的稳定作用最强，通过La的掺杂可以增加HZO中铁电正交相的含量，以获取更大的极化强度；在化学计量掺杂条件下，La和其他Ⅲ族元素掺杂可以增加氧空位形成能量，难以在电场循环下产生新的缺陷，并使HZO不易受到介电击穿的影响；La、Al或Y掺杂取代Hf或Zr可以在能带隙中钝化缺陷态，使其禁带缺陷态更少，漏电流更小。这些机制抑制了缺陷诱导的电子输运，减缓了铁电相向其他相的转变，从而大大提高了耐久性。

关键词

HZO铁电薄膜/掺杂效应/耐久性/铁电性能

引用本文复制引用

授予学位

硕士

学科专业

电子科学与技术

导师

赵亮

学位年度

2022

学位授予单位

浙江大学

语种

中文

中图分类号

段落导航