电离辐射对存储用铁电薄膜电学性能影响的相场模拟研究

发布时间：2020-05-21 12:49

【摘要】：随着科技的不断进步,人们进一步加强了外太空的探索,使得航天航空存储器件的抗辐射性能变得越来越重要。铁电存储器具有操作电压低,读写速度快和非挥发性存储等优点,尤其是它的天然抗辐射能力,使得其在航天器件上具有广阔的应用前景。研究辐照条件下铁电材料的性能,是掌握铁电存储器抗辐照性能的关键。目前,人们从实验和理论方面对铁电材料或器件的辐射效应开展了大量的研究,但是,从微观结构针对铁电材料辐射条件下性能退化的研究相当匮乏。基于此,本论文使用蒙特卡洛方法计算了不同能量及不同角度H~+质子电离辐射对铁电存储器(以MFIS型铁电场效应晶体管为例)中铁电薄膜的辐射损伤;同时,运用相场模拟方法建立了MFIS结构铁电效应晶体管(FeFET)铁电层畴结构的理论模型,并掌握了不同能量及角度H~+质子入射FeFET时,铁电薄膜畴结构在外场下的演化过程;通过建立标准器件模型,计算出了不同能量及角度H~+质子辐射FeFET电学性能的变化过程,并总结出了辐射条件下FeFET电学性能的退化规律。具体研究内容如下:(1)运用蒙特卡洛方法研究了Pt/BaTiO_3/SiO_2/Si结构FeFET中铁电薄膜在质子H~+电离辐射作用下的损伤情况。模拟结果表明:入射能量为10~100 keV时,随着入射能量的增加,辐射损伤位置将从薄膜与电极的界面转移到薄膜内部,最后再转移到薄膜与绝缘层的界面;入射角度为0~75°时,随着入射角度的增加,同一能量下BaTiO_3薄膜内部损伤的位置将会发生内移,主要原因是入射能量越大穿透能力越强,入射角度越高,射程将变得越短。(2)基于上述BaTiO_3薄膜的损伤情况,建立了MFIS结构FeFET的相场模型。研究了界面厚度、内建电场、氧空位、界面应变以及频率等因素对铁电薄膜铁电性能的影响。模拟结果表明:上述因素会对BaTiO_3铁电薄膜的畴结构产生影响,主要为畴壁的移动,畴类型的转变。(3)将相场模型与MOS器件方程相结合,研究了界面厚度、内建电场、氧空位和界面应变等因素对FeFET电学性能的影响。结果表明:(a)随着界面厚度的增加,FeFET开态电流略微减小,关态电流略微增大;(b)随着内建电场及氧空位的增加,FeFET的剩余极化、矫顽场、存储窗口、开态电流以及开关比会减小,而关态电流会增加;(c)随着界面应变的增加,FeFET的剩余极化、矫顽场、开态电流均增加,关态电流则减小;与此同时,随着氧空位浓度的增加,FeFET剩余极化、矫顽场和存储窗口基本保持不变,开态电流则会稍微减小。
【图文】：

曲线,晶胞结构,极化强度

图 1.1 BaTiO3的晶胞结构材料另一个重要的宏观特征，其极化强度 P 与外电极板和铁电材料构成的铁电电容施加外电场方向最大值均匀变化，其极化强度 P 沿着曲线，极化强度为 Pr，此时的极化强度为剩余极化强方向最大值均匀变化，其极化 P 沿着曲线 defa Ed增加到零时，极化强度为-Pr，此时的极化强度为零时，此时所施加的电场为 Ec，即矫顽场所需要提供的最小电场。

曲线,铁电材料,电滞回线,极化强度

图 1.1 BaTiO3的晶胞结构电材料另一个重要的宏观特征，，其极化强度 P 与外电以电极板和铁电材料构成的铁电电容施加外电场 Ed负方向最大值均匀变化，其极化强度 P 沿着曲线 ab时，极化强度为 Pr，此时的极化强度为剩余极化强度正方向最大值均匀变化，其极化 P 沿着曲线 defa 变当 Ed增加到零时，极化强度为-Pr，此时的极化强度强度为零时，此时所施加的电场为 Ec，即矫顽场：时所需要提供的最小电场。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V443;TB383.2

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