论文部分内容阅读
铁电场效应晶体管(FeFET)由于具有非挥发性、高存取速度、低功耗、强抗辐射能力等优点，在军工和国防工业有着广阔的应用前景。这其中金属(Metal)-铁电薄膜(Ferroelectric thin film)-绝缘层(Insulator)-半导体硅层(Semiconductor Silicon)结构的场效应晶体管(MFIS-FET)更具有体积小、结构简单等优势，符合了微电子器件发展的小型化集成化要求，代表了下一代高性能存储器的发展方向。虽然有研究证明无铅铁电薄膜具有较强的抗电离辐射能力，但是FeFET的抗电离辐射性能还不清楚，这严重制约了其在空间环境下的应用。本文以MFIS-FET为研究主体，首先研究了电离辐射对铁电薄膜漏电流的影响；然后引入电离辐射诱导的铁电层陷阱电荷，研究了电离辐射对MFIS-FET电学性能的影响；最后考虑界面层的影响，由于界面层的实际存在，加之电离辐射对界面层影响很大，所以接下来研究了电离辐射对存在界面层的金属(Metal)-铁电薄膜(Ferroelectric thin film)-绝缘层(Insulator)-氧化层(Oxide)-半导体硅层(Semiconductor Silicon)结构的场效应晶体管(MFIOS-FET)电学性能的影响。主要工作和取得的结果如下：(1)基于空间电荷限制电流(SCLC)模型和Gross的电离辐射迁移率模型，推导出电离辐射效应对铁电薄膜漏电流特性影响的模型。在这个模型中，同时引入电离辐射对铁电层介电常数的影响，分别从电离总剂量和电离剂量率两方面模拟了BST铁电薄膜的漏电流。结果表明铁电薄膜可以抗一定剂量的电离总剂量辐射，此结果与实验结果相符，表明我们的模型可以为铁电薄膜在电离辐射下的研究提供理论支持。(2)采用半导体器件辐射理论，推导出了铁电层电离辐射的陷阱电荷，结合电离辐射下的迁移率模型和描述铁电极化的Lue模型，建立了电离辐射下的MFIS-FET模型，通过对不同电离总剂量下C-V特性、漏电流特性、铁电层极化特性的模拟，得出铁电层对FeFET的性能起到至关重要的影响：当铁电层受电离辐射发生失效时，就代表FeFET失效了，因此在器件材料的选择中，要不断的寻找性能优异、抗辐射能力强的铁电材料来作为FeFET的铁电层。(3)考虑电离辐射对界面层的影响并结合第三章MFIS-FET电离辐射模型，建立了电离辐射下的MFIOS-FET模型，分别从电离总剂量和界面层两方面模拟了MFIOS-FET的C-V特性、漏电流特性和铁电层极化特性，结果表明：电离辐射效应会使晶体管的电容值增加，源漏电流减小；低电离辐射总剂量(≤103rad(Si))时，电离辐射主要是对界面层产生影响；而高电离辐射总剂量(≥105rad(Si))时，电离辐射对铁电层的改变对晶体管的性能影响更主要。