为什么技术用于铁电存储器可能不会在其他类型的设备工作。
的发现铁电相在二氧化铪(高频振荡器2)引发了重大机会的兴趣与传统集成铁电晶体管和记忆互补金属氧化物半导体设备。示威活动的“负电容”行为特别是表明这些设备可能逃避60 mV /十年限制阈下的秋千,从而提高晶体管的效率。
然而,负电容效应的物理机制尚不清楚。制造商需要更好地理解为了利用负电容在商业设备。
“标准”的设备被认为是在大多数模型是一层高频振荡器2或高频0.5Zr0.5O2包含一个铁电域,夹在金属电极和传统的介质。底部电极可以是金属(metal-ferro-insulator-metal)或半导体晶体管的通道。插入一个金属层之间的铁电和介质(MFMIM结构)促进独立测量的属性层,至少从理论上讲,保护装置相结合的整体行为。
研究人员4月材料研究学会春季会议在凤凰城试图确定这些模型设备在多大程度上反映了行为实际上在实验室。NaMLab科学主管托马斯•Mikolajick在德累斯顿,德国,形容一个单极铁电驻留在两种能量状态——“向上”或“向下”极化——它们之间的能量势垒。能量势垒措施很难从一个状态转换到另一端,等物理参数,取决于材料的介电常数和各向异性极化的领域。
从一个状态转换到另一需要时间,在此期间设备的电压比极化变化更快。铁电电容器上的电荷减少,而正常串联的电容的电荷量增加。这种“负电容”效应降低了阈下摇摆在至少一个晶体管伏安曲线的一部分。不过,这个改进的价格磁滞。
电压和极化之间的关系是不同的,这取决于电压是否增加或减少。俄文黄教授和北京大学电气工程学院的院长和计算机科学,说,到目前为止,还没有可以减少滞后,同时降低阈下摆动。更好的阈下摇摆要求更大的铁电电压,但一个更小的极化电荷减少滞后是可取的。
而不是“向上”和“向下”之间转换偏振状态,不过,材料也可以分成两个(或更多)领域,面向彼此反向。事实上,根据一项详细的分析NaMLab集团,平行和反平行取向之间的能量势垒小于两者之间平行的方向。因此,反向单极两州之间提供了一个低能耗的途径。
对于设备设计师来说,这是可怕的消息。首先,反向是不稳定的,所以设备建立在多域铁电层不太可能开关在一个可预见的和可重复的方式。事实上,域边界的形成和运动似乎是极化磁滞的来源。Hysteresis-free切换似乎需要一个单极开关作为合并单元的铁电层。
第二,把层分成多个域减免MFMIM和MFIM结构之间的等价性,因为内部金属层变化域形成和运动的边界条件。
一个更完整的模型,而不是简单地假设单个域,畴壁形成的能量平衡对两个单极状态之间的能量势垒确定结构将形成多个域。NaMLab小组发现侧设备尺寸,不仅仅是铁电体的介电常数和各向异性,定义畴壁的能量,因此整体设备的行为。膜厚度,令人惊讶的是,相对无关紧要的人,因为只有薄薄的一层铁电/介质界面附近会影响极化行为。
根据这一模型,稳定,hysteresis-free陡坡设备MFMIM结构,才有可能在浓度纳米尺寸,和可能是不现实的,即使在极其CMOS扩展节点。MFIM结构的报价更好的前景,但仍极具挑战性。
是否一个狭窄的理论是商业上可行的可能性取决于制造约束。例如,Mikolajick说,表面能和氧空缺都在稳定高频振荡器中发挥作用2铁电相,都是高度process-sensitive。电荷捕获在正常的电容器可以屏幕极化/去极化场,导致不稳定的行为。
总之,理论和制造约束似乎限制潜在的负电容场效应晶体管的成功整合。使铁电记忆有吸引力的特点为其他设备可能成为障碍。
图1:铁电极化电场的函数。来源:维基
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凯瑟琳,
他们不希望铁电切换到出现在门口。切换无论如何不可能发生,因为薄传统介质在城门口铁电电容器串联在一起,不会存储的电荷量铁电电容器会产生开关。从电介质层可以防止电压切换,除非发生隧道通过介电材料。我相信隧穿晶体管操作不会是一件好事。想到Sawyer-Tower电路中电容器的感觉的价值远小于铁电电容的电路。这意味着他们会想要一个厚铁电层,不薄。