漏极电流极化电压稳定性的分析
铁电场效应晶体管主要应用于铁电存储器，其器件性能易受铁电材料特性影响。应用SILVACO软件中的铁电模块研究了减小铁电场效应晶体管输出特性对材料依赖的方法。通过仿真铁电场效应晶体管漏极电流Id和εf, Ec, Pr, Ps/Pr四个铁电参数关系，发现对于单层铁电栅极器件其Id 随 Pr 增加而增强; 对Id 影响不明显; 选择合适Vp值，可以获得稳定Id，对铁电材料参数中的Ps/Pr不敏感，该稳定 Id 的极化电压值Vp 由矫顽场Ec决定。 M000249 关键词：铁电场效应晶体管 漏极电流 极化电压 矫顽场
Firstly, the constitution and the principles of ferroelectric field effect transistor conduct a presentation, and then iron pipe and MOS field effect tube for a detailed comparison. After comparing the conclusions drawn, first ferroelectric field effect transistor of a physical model analysis shows one of the parameters related to the drain current, and its software simulation, concluded: When the constant drain-source voltage, electric iron effect transistor drain current and gate-source voltage magnitude on. When the gate voltage is zero, the drain current is determined by the size of the remnant polarization and the saturation polarization. After a ferroelectric field effect transistor polarized polarization voltage of the drain to achieve a stable output current.
Keywords: Ferroelectric Field Effect Transistor Polarization Drain current
1.引言
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1.1铁电材料的 研究现状
1919年，Joseph Va1asek在美国明尼苏达州大学读研究生，师从物理学家W F.G Swan教授。从事宇宙射线物理理论研究工作而闻名于世的Swan教授建议Valasek研究罗息盐单晶的物理性能。在接下来的两年里，Valasek测量了罗息盐的线性介电响应、非线性介电性能、压电性能、热释电现象等宏观性能。1920年4月23日在华盛顿举办的美国物理学会会议上， 铁电性概念诞生了。Valasek在 “Piezoelectric and allied phenomena inR0chelle salt”报告中指出：电位移D、电场强度E、极化强度P分别类比于磁学中的 B、H和I。罗息盐中P与E之间存在的回线与磁滞回线类似 。1921年。该报告全文发表在Phvsical Review期刊上。它奠定了两个里程碑：(1)第一次表明罗息盐自身存在持久极化；(2)首次给出电荷与电场之间的回线。Valasek是在介电领域使用自发极化和居里点这两个概念的第一人。
1931年比利时布鲁塞尔大学的物理化学教授J Errera发表了一篇论文，文中指出罗息盐的介电常数随外加电场频率的变化呈典型的反常色散现象 。其实A M Nicholson早在1919年就发表了关于罗息盐强烈谐振曲线的论文，但Errem和瑞士苏黎世的物理学家都不知道。他们认为特别宽的色散曲线不会是分子共振引起的，并决定重复Errera的实验。Scherrer的学生G Busch，将此问题作为其博士学位论文进行了研究。Busch他找到与此问题相关，在1897年至1932年出版的文章仅约20篇 。其中包括G Steulmann的文章“Institut fnr allgemeine Elektmtechnik”，Steu1．mann测量了K3PO 、K2HPO 、KH2PO 等粉体的介电常数。前面两种盐的值很平常，分别为7．75和9．05，而KH2PO 的值却高达30。但这些材料都不含结晶水．因而没有引起Busch的重视。在经过诸多失败后，他才研究KH2PO 的性能，并于l935年3月13日采用简易的电桥观察到超过量程的大电容。随后，Busch赴柏林做低温实验，证明KH2PO 确实是铁电体。
BaTi03铁电性的发现主要源于战争期间对电子元器件(尤其是电容器)的研究。众所周知，金红石具有高介电常数(ε≈100)，当时有几个实验室试图将TiO2 与其他氧化物(特别是碱土金属氧化物)共烧制备高介电常数陶瓷。有四个国家独立地发现了BaTiO3的铁电性。
1.2 铁电存储器概述
与其他类型的半导体存储技术相比而言，铁电存储器有更多的优势。
传统的半导体存储器包括挥发性和非挥发性。数据可以被存储在动态存储器DRAM和静态存储器SRAM里面。然而，DRAM和SRAM是容易记忆丧失。停电时，两个内存将失去保存的数据。存取存储器DRAM和静态随机存取存储器SRAM具有使得数据不会立即消失的特性,断电后也有快闪记忆的优点。相比于其他的非易失性存储器，如闪速存储器，电可擦除可编程只读存储器，其具备低电压驱动，耗电低，可擦写次数多的优点。这种具有低功耗和低电压驱动，高耐久性的优点铁电存储器在不久的将来有机会取代目前DRAM和SRAM等主流的内存存储产品，将在存储器领域占有非常重要的地位。
铁电存储器的主要组成部分便是铁电场效应晶体管。铁电场效应晶体管以铁电膜取代一般的场效应晶体管中的栅极介电层，是根据该铁电薄膜的剩余极化来实现的源 - 漏极电流调制的，你可以根据前后存储极化通道电流差来读出信息。因为在数年的使用期间需要进行很多次数的擦除读写，所以这类非破坏性的读出操作状态，非常适合电可擦除可编程存储器。例如EEPROM存储器需要非常频繁的读出操作。 FFET提供了电路的近乎理想的存储优势，非破坏性读出内存，铁电场效应晶体管具有更高的速度和更简单的电路结构，其密度也很高且具有更低的功耗。
多年来，在相关的研究领域之中，铁电场效应晶体管一直是热点。然而，尽管铁电材料和铁电体的场效应晶体管进行了广泛的研究，但仍然有许多实际问题需要解决，其中一个重要原因是，铁电材料的材料性质会影响制造过程，这会导致器件性能的不稳定，不利于大规模生产。所以从铁电场效应晶体管的研究看，找出减少材料特性对铁电场效应晶体管性能特性的敏感度的方法是非常重要的。本文根据装置的设计和相关的铁电材料的仿真软件，应用了参数进行模拟和分析，以找到一个铁电体元件，来减少材料特性的敏感性，分析物理模型是简单而实用的方法。
1.3铁电场效应晶体管漏极电流稳定性研究的内容与意义
研究铁电场效应晶体管漏极电流的稳定输出方法，对铁电存储器件的制造有十分重要的意义。铁电场效应晶体管的漏极电流的稳定输出对铁电存储器的存储性能有重要的影响。铁电材料在制备工艺中一直是敏感的材料。在进行铁电材料制备时中产生的细微条件变化将引起铁电材料性能的巨大变化。这使得铁电材料在铁电器件的制造和集成电路的应用上产生了局限性。最容易受到制备工艺影响的铁电材料参数是铁电电滞回线的饱和度Ps/Pr。而铁电电滞回线的饱和度是影响铁电场效应晶体管的漏极电流的重要参数。所以研究铁电场效应晶体管的漏极电流与哪些铁电材料参数有关是十分重要的。
本课题的内容是对铁电材料进行了解，分析与研究并建立和分析铁电场效应晶体管的物理模型，通过物理模型的分析得出与铁电场效应晶体管漏极电流输出相关的重要参数，然后通过SILVACO软件仿真来得出铁电材料参数与漏极电流的具体关系。
本文的各章内容安排如下所示：
第一章为铁电材料的国内外研究现状与本课题的研究目的与内容。
第二章为铁电材料的各种特性与铁电场效应晶体管。
第三章为铁电场效应晶体管的物理模型分析和软件仿真。
第四章为多层栅极铁电场效应晶体管。
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1.引言 1
1.1 铁电材料的研究现状 1
1.2 铁电存储器概述 1
1.3铁电场效应晶体管漏极电流稳定性研究的内容与意义 2
2.铁电材料与铁电场效应晶体管 4
2.1铁电材料特性 4
2.1.1自发极化 4
2.1.2电滞回线 4
2.1.3居里点 5
2.1.4 伏安特性 5
2.2铁电场效应晶体管 6
3.铁电场效应晶体管漏极电流稳定性研究 8
3.1 铁电场效应晶体管的物理模型分析 8
3.2 SILVACO软件仿真的优点 9
3.3 铁电场效应晶体管伏安特性仿真 10
3.3.1 漏极电流Id随Ps/Pr，Vp的变化 10
3.3.2漏极电流随剩余极化强度的变化情况 11
3.3.3漏极电流随铁电材料的介电常数的变化情况 12
3.3.4漏极电流随矫顽场的变化情况 12
4.多层栅极铁电场效应晶体管 14
4.1 不同栅极结构Id影响 14
4.2 HL栅极结构铁电材料参数对FFET稳定输出极化电压的影响 15
4.2.1低Pr铁电层Ps的变化对Id的影响 15
4.2.2 低Pr铁电层Ec改变对Id影响 16
4.2.3 低Pr铁电层ε对Id影响 16
4.3结论 17
结束语 19
参考文献 20
致 谢 21
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Firstly, the constitution and the principles of ferroelectric field effect transistor conduct a presentation, and then iron pipe and MOS field effect tube for a detailed comparison. After comparing the conclusions drawn, first ferroelectric field effect transistor of a physical model analysis shows one of the parameters related to the drain current, and its software simulation, concluded: When the constant drain-source voltage, electric iron effect transistor drain current and gate-source voltage magnitude on. When the gate voltage is zero, the drain current is determined by the size of the remnant polarization and the saturation polarization. After a ferroelectric field effect transistor polarized polarization voltage of the drain to achieve a stable output current.
Keywords: Ferroelectric Field Effect Transistor Polarization Drain current
1.引言
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1.1铁电材料的 研究现状
1919年，Joseph Va1asek在美国明尼苏达州大学读研究生，师从物理学家W F.G Swan教授。从事宇宙射线物理理论研究工作而闻名于世的Swan教授建议Valasek研究罗息盐单晶的物理性能。在接下来的两年里，Valasek测量了罗息盐的线性介电响应、非线性介电性能、压电性能、热释电现象等宏观性能。1920年4月23日在华盛顿举办的美国物理学会会议上， 铁电性概念诞生了。Valasek在 “Piezoelectric and allied phenomena inR0chelle salt”报告中指出：电位移D、电场强度E、极化强度P分别类比于磁学中的 B、H和I。罗息盐中P与E之间存在的回线与磁滞回线类似 。1921年。该报告全文发表在Phvsical Review期刊上。它奠定了两个里程碑：(1)第一次表明罗息盐自身存在持久极化；(2)首次给出电荷与电场之间的回线。Valasek是在介电领域使用自发极化和居里点这两个概念的第一人。
1931年比利时布鲁塞尔大学的物理化学教授J Errera发表了一篇论文，文中指出罗息盐的介电常数随外加电场频率的变化呈典型的反常色散现象 。其实A M Nicholson早在1919年就发表了关于罗息盐强烈谐振曲线的论文，但Errem和瑞士苏黎世的物理学家都不知道。他们认为特别宽的色散曲线不会是分子共振引起的，并决定重复Errera的实验。Scherrer的学生G Busch，将此问题作为其博士学位论文进行了研究。Busch他找到与此问题相关，在1897年至1932年出版的文章仅约20篇 。其中包括G Steulmann的文章“Institut fnr allgemeine Elektmtechnik”，Steu1．mann测量了K3PO 、K2HPO 、KH2PO 等粉体的介电常数。前面两种盐的值很平常，分别为7．75和9．05，而KH2PO 的值却高达30。但这些材料都不含结晶水．因而没有引起Busch的重视。在经过诸多失败后，他才研究KH2PO 的性能，并于l935年3月13日采用简易的电桥观察到超过量程的大电容。随后，Busch赴柏林做低温实验，证明KH2PO 确实是铁电体。
BaTi03铁电性的发现主要源于战争期间对电子元器件(尤其是电容器)的研究。众所周知，金红石具有高介电常数(ε≈100)，当时有几个实验室试图将TiO2 与其他氧化物(特别是碱土金属氧化物)共烧制备高介电常数陶瓷。有四个国家独立地发现了BaTiO3的铁电性。
1.2 铁电存储器概述
与其他类型的半导体存储技术相比而言，铁电存储器有更多的优势。
传统的半导体存储器包括挥发性和非挥发性。数据可以被存储在动态存储器DRAM和静态存储器SRAM里面。然而，DRAM和SRAM是容易记忆丧失。停电时，两个内存将失去保存的数据。存取存储器DRAM和静态随机存取存储器SRAM具有使得数据不会立即消失的特性,断电后也有快闪记忆的优点。相比于其他的非易失性存储器，如闪速存储器，电可擦除可编程只读存储器，其具备低电压驱动，耗电低，可擦写次数多的优点。这种具有低功耗和低电压驱动，高耐久性的优点铁电存储器在不久的将来有机会取代目前DRAM和SRAM等主流的内存存储产品，将在存储器领域占有非常重要的地位。
铁电存储器的主要组成部分便是铁电场效应晶体管。铁电场效应晶体管以铁电膜取代一般的场效应晶体管中的栅极介电层，是根据该铁电薄膜的剩余极化来实现的源 - 漏极电流调制的，你可以根据前后存储极化通道电流差来读出信息。因为在数年的使用期间需要进行很多次数的擦除读写，所以这类非破坏性的读出操作状态，非常适合电可擦除可编程存储器。例如EEPROM存储器需要非常频繁的读出操作。 FFET提供了电路的近乎理想的存储优势，非破坏性读出内存，铁电场效应晶体管具有更高的速度和更简单的电路结构，其密度也很高且具有更低的功耗。
多年来，在相关的研究领域之中，铁电场效应晶体管一直是热点。然而，尽管铁电材料和铁电体的场效应晶体管进行了广泛的研究，但仍然有许多实际问题需要解决，其中一个重要原因是，铁电材料的材料性质会影响制造过程，这会导致器件性能的不稳定，不利于大规模生产。所以从铁电场效应晶体管的研究看，找出减少材料特性对铁电场效应晶体管性能特性的敏感度的方法是非常重要的。本文根据装置的设计和相关的铁电材料的仿真软件，应用了参数进行模拟和分析，以找到一个铁电体元件，来减少材料特性的敏感性，分析物理模型是简单而实用的方法。
1.3铁电场效应晶体管漏极电流稳定性研究的内容与意义
研究铁电场效应晶体管漏极电流的稳定输出方法，对铁电存储器件的制造有十分重要的意义。铁电场效应晶体管的漏极电流的稳定输出对铁电存储器的存储性能有重要的影响。铁电材料在制备工艺中一直是敏感的材料。在进行铁电材料制备时中产生的细微条件变化将引起铁电材料性能的巨大变化。这使得铁电材料在铁电器件的制造和集成电路的应用上产生了局限性。最容易受到制备工艺影响的铁电材料参数是铁电电滞回线的饱和度Ps/Pr。而铁电电滞回线的饱和度是影响铁电场效应晶体管的漏极电流的重要参数。所以研究铁电场效应晶体管的漏极电流与哪些铁电材料参数有关是十分重要的。
本课题的内容是对铁电材料进行了解，分析与研究并建立和分析铁电场效应晶体管的物理模型，通过物理模型的分析得出与铁电场效应晶体管漏极电流输出相关的重要参数，然后通过SILVACO软件仿真来得出铁电材料参数与漏极电流的具体关系。
本文的各章内容安排如下所示：
第一章为铁电材料的国内外研究现状与本课题的研究目的与内容。
第二章为铁电材料的各种特性与铁电场效应晶体管。
第三章为铁电场效应晶体管的物理模型分析和软件仿真。
第四章为多层栅极铁电场效应晶体管。
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1.引言 1
1.1 铁电材料的研究现状 1
1.2 铁电存储器概述 1
1.3铁电场效应晶体管漏极电流稳定性研究的内容与意义 2
2.铁电材料与铁电场效应晶体管 4
2.1铁电材料特性 4
2.1.1自发极化 4
2.1.2电滞回线 4
2.1.3居里点 5
2.1.4 伏安特性 5
2.2铁电场效应晶体管 6
3.铁电场效应晶体管漏极电流稳定性研究 8
3.1 铁电场效应晶体管的物理模型分析 8
3.2 SILVACO软件仿真的优点 9
3.3 铁电场效应晶体管伏安特性仿真 10
3.3.1 漏极电流Id随Ps/Pr，Vp的变化 10
3.3.2漏极电流随剩余极化强度的变化情况 11
3.3.3漏极电流随铁电材料的介电常数的变化情况 12
3.3.4漏极电流随矫顽场的变化情况 12
4.多层栅极铁电场效应晶体管 14
4.1 不同栅极结构Id影响 14
4.2 HL栅极结构铁电材料参数对FFET稳定输出极化电压的影响 15
4.2.1低Pr铁电层Ps的变化对Id的影响 15
4.2.2 低Pr铁电层Ec改变对Id影响 16
4.2.3 低Pr铁电层ε对Id影响 16
4.3结论 17
结束语 19
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