中文 英语

铁电体:负电容的梦想

系列第一部分:为什么fefet和铁电存储器突然变得如此有趣。

受欢迎程度

随着芯片制造商寻找维持驱动电流的新方法,铁电体正受到认真的重新审视。

铁电材料是最近IEEE电子器件会议的亮点之一。它们很有趣,因为一个内置的电子偶极子会产生一个剩余的偏振,要么P+要么P-。施加一个强电场——矫顽力场,Ec-切换偏振方向,新的状态在场被移除后仍然存在。铁电存储器依靠这种效应进行非易失性数据存储。

图1:铁电极化随电场的变化。资料来源:维基百科

图1:铁电极化随电场的变化。来源:维基

铁电晶体管要复杂一些。他们从铁电层(FE)与传统电介质(DE)串联组装栅极电容器。切换FE的极化降低其电荷,导致栅极附近DE的电荷相应增加。相对于传统的MOSFET,这种所谓的“负电容”效应导致电流相对于栅极电压更快地增加,减少晶体管的亚阈值摆动。

亚阈值摆动(SS)是衡量晶体管开关从开到关的陡度的指标,是电流增加10年所需的电压变化。随着晶体管的收缩,I和我变得更加困难。更尖锐的开/关过渡是降低漏电流的一种途径。不幸的是,传统器件中的SS受到玻耳兹曼限制约60mV/十年。

fefet已被提出作为这个问题的潜在解决方案。文献将这些器件描述为ncfet和fefet,部分取决于作者对器件物理的解释。(本报告仅使用fefet)相对于更激进的器件结构,如隧道fet,铁电晶体管非常类似于传统的mosfet。2011年在氧化铪锆(HZO)电容器中铁电行为的演示表明,铁电材料可以与现有工艺兼容。⁠[1]

什么是负电容?
然而,自从负电容效应首次被提出以来,研究人员一直在争论它的确切性质。这仅仅是一个短暂的开关效应,还是潜在稳定的第三偏振态的证据?

图2:自由能与极化。资料来源:K. Derbyshire/Semiconductor Engineering

图2:自由能与极化。资料来源:K. Derbyshire/Semiconductor Engineering

负电容是一种潜在稳定状态的论点基于朗道对相变附近行为的分析,如图2所示。在稳定的P+和P-状态之间,这个论点认为,有一个“中性”配置,可以通过与传统电介质的相互作用来维持。控制晶体管中的负电容效应需要FE和DE层之间的精确匹配。

根据imec铁电体项目主管Jan Van Houdt的说法,这种分析的问题在于P+和P-态之间的转变对应于铁电单元中离子的物理运动。化学键断裂并重新形成;两者之间没有稳定的中间状态。此外,图2是从平衡条件下的稳态行为的Landau-Devonshire模型推导出来的。用平衡模型来描述开关行为本身就是有问题的。

相反,关于开关动力学的讨论需要考虑作用在材料上的力。在没有外场的情况下,每个铁电单元都是一个电子偶极子,周围环绕着其他偶极子。[[4]在单晶中,最低能态是所有偶极子都朝同一方向排列。在HZO中沉积在HfO上2或者硅,更可能的结果是一种多晶材料,具有晶界和一些随机的晶体取向。一个颗粒的P+方向可能与相邻颗粒的P+方向不对齐。根据沉积条件的不同,甚至可能存在根本不具有铁电性的晶体。材料的净极化是P+域和P-域的和。

当施加电场时,偶极子开始与电场对齐。单个偶极子的开关是非常快的——已知的最快的电子开关机制之一——但在一个多晶、随机取向的薄膜中,并不是所有的畴都能同时开关。将净极化从P+移到P-或反之需要有限的时间。

优化阈下摆动
当开关发生时,极化的变化导致材料的净电容的变化。保持恒定电压需要从外部源流入电荷:电流流动。北京大学的王慧敏及其同事解释说,当极化变化率大于电容变化率时,就会发生负电容行为。他们在独立的FE电容器中观察到这种效应,表明DE层的存在并不是这种效应的基础。然而,当铁电体与传统电介质串联时,两者之间的相互作用将决定器件的整体静电性能。

图3:铁电电容器动态电容的时间演化。来源:知识共享

图3:铁电电容器动态电容的时间演化。来源:知识共享

即使没有持久的负电容状态,也有可能出现负微分电容。根据栅极电压的扫描速率,净电容可能急剧增加,然后随着栅极电压“赶上”和V而下降th是达到了。如图3所示,部分曲线的电容变化为负。然而,实际的器件面临着阈下摆动和滞后的冲突。正如北京大学的研究小组解释的那样,更陡的SS需要更快速的偏振(∂P/∂t)随时间的变化。磁滞,定义为在铁电(V)的正向和反向开关,是材料的一个基本方面。不幸的是,增加∂P/∂t会增加V,反之亦然。也就是说,不可能同时优化迟滞量和SS。

因此,铁电行为是否与商业器件相关仍然是一个悬而未决的问题。

对于内存(将在本系列的第二部分中讨论),答案似乎是明确的,是的。快速、持久的切换使FeRAM成为闪存和DRAM之间的重要利基。不过,对于晶体管来说,答案就不那么明确了。虽然使用负电容来增强MOSFET性能可能是不可能的,但一些2D半导体材料也具有铁电特性。本系列的第三部分将讨论铁电体在先进通道器件中可能发挥的作用。

参考文献

1.J. Müller,等,“铁电Zr0.5Hf0.5O2薄膜在非易失性存储器中的应用”,应用理论物理。莱特99,112901 (2011)https://doi.org/10.1063/1.3636417
2.Sayeef Salahuddin和Supriyo Datta,“利用负电容为低功率纳米器件提供电压放大”,纳米通讯2008 8 (2),401 -410 DOI: 10.1021/nl071804g
3.P.钱德拉和P. b .利特伍德,“铁电体的朗道引物。“https://doi.org/10.48550/arXiv.cond-mat/0609347
4.Alam, m.n.k., Roussel, P., Heyns, M.等,“正非线性电容:铁电fet中陡阈值斜坡的起源”。科学通报9,14957(2019)。https://doi.org/10.1038/s41598-019-51237-2
5.M. Dragoman等人,“纳米尺度铁电性的兴起:纳米电子学正在重新发现铁电性”,载于《IEEE纳米技术杂志》第15卷,第15期。5, pp. 8-19, 2021年10月,doi: 10.1109/MNANO.2021.3098217。
6.H. Wang等,“对ncfet中负电容和滞后物理起源的新见解”,2018年IEEE国际电子器件会议(IEDM), 2018, pp. 31.1.1-31.1.4, doi: 10.1109/IEDM.2018.8614504。



留下回复


(注:此名称将公开显示)

Baidu