文档介绍：学校代码 10530 学号 201099080061
分类号 TN384 密级
博士学位论文
铁电场效应晶体管
的保持性能与负电容效应研究
学位申请人肖永光
指导教师唐明华教授
学院名称材料与光电物理学院
学科专业材料科学与工程
研究方向铁电场效应晶体管存储器
二○一三年五月
Investigation of retention characteristics and
negative capacitance effect of ferroelectric
field-effect transistors
Candidate Yongguang Xiao
Supervisor Professor Minghua Tang
College Faculty of Materials, Optoelectronics and Physics
Program Ferroelectric Field-effect Transistor Memory
Specialization Material Science and Engineering
Degree Doctor of Engineering
University Xiangtan University
Date May, 2013
湘潭大学
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作者签名: 日期: 年月日
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作者签名: 日期: 年月日
导师签名: 日期: 年月日
湘潭大学博士毕业论文
摘要
近些年来,由铁电场效应晶体管构成存储单元的铁电存储器,由于具有结构简单、
非破坏性读出、不易挥发、功耗低、可多次反复读写、可高速大密度存取、良好的抗辐
射性能以及与集成电路工艺兼容等优点,而被公认为下一代最具潜力的存储器之一,得
到了人们的广泛关注。但是,由于铁电场效应晶体管的保持性能比较差,目前仍然没有
实用化;其次,一旦铁电场效应晶体管用作铁电存储器得到实用化,铁电存储器芯片又
如何克服由于集成度不断提高而带来的功耗与稳定性问题。基于此,本论文先从铁电材
料及其存储器的研究进展进行综述,包括铁电体及铁电薄膜材料的分类与物理特性、铁
电存储器的发展历史、研究现状以及目前存在的主要问题,然后在此基础上我们通过理
论建模与数值分析相结合的方法,重点研究了铁电薄膜电容的保持性能与铁电场效应晶
体管的负电容效应。具体内容和结论如下:
1、考虑金属电极-铁电界面层效应,我们对金属-铁电-绝缘层-半导体(MFIS)结构电
容的退极化场进行了理论推导,结合娄氏的极化保持性能模型,对影响 MFIS 结构电容
保持性能的一些物理参数进行了探讨。结果表明:选择薄膜厚度相对厚一点、介电常数
比较高的铁电材料有利于提高 MFIS 结构电容的极化保持时间,良好的电极-铁电界面质
量也有利于提高 MFIS 结构电容的保持性能。同时,适当地提高硅衬底掺杂浓度可以通
过减小退极化场来改善 MFIS 结构电容的保持性能。该研究结果对提高 MFIS 结构电容
和场效应晶体管的保持性能具有重要的指导意义。
2、基于 Landau–Ginzburg–Devonshire 理论、泊松方程、以及电流连续性方程,我
们考虑铁电薄膜负电容效应,针对双栅铁电场效应晶体管的表面势和漏电流特性进行了
研究。研究结果表明:选择合适的铁电薄膜厚度,在室温下可实现半导体硅表面势放大
进而可以获得小的亚阈值摆幅(S = 34 < 60 mV/dec)。与传统的正电容铁电场效应晶体管
相比,若保持开态电流在 600 µA/µm,它可以减小 260 mV 的驱动电压。这对低电压、
低功耗 MOS 场效应晶体管的设计具有非常重要的指导意义。
3、在上一章的基础上,我们针对双栅铁电场效应晶体管发