基于HfO2的阻变存储器中Ag导电细丝方向和浓度的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了基于HfO₂的阻变存储器中Ag 导电细丝浓度以及方向性. 通过计算Ag杂质5种方向模型的分波电荷态密度等势面图、形成能、 迁移势垒和分波电荷态密度最高等势面值, 发现[-111]方向最有利于Ag导电细丝的形成, 这对器件的开启电压、形成电压和开关比有很大影响. 本文基于最佳的[-111]导电细丝方向, 设计了4 种Ag 浓度结构. 计算4种Ag浓度结构的分波电荷态密度等势面图, 得出Ag浓度低于4.00 at.% 时晶胞结构中无导电细丝形成且无阻变现象. 当Ag浓度从4.00 at.%增加到4.95 at.% 时, 晶胞结构中发现有导电细丝形成, 表明Ag浓度高于4.00 at.%时, 晶胞中可以发生阻变现象. 然而, 通过进一步对比计算这两种晶胞结构中Ag的形成能、分波电荷态密度最高等势面值、总态密度与Ag的投影态密度发现, Ag浓度越大, 导电细丝却不稳定, 并且不利于提高阻变存储器的开关比. 本文的研究结果可为改善基于HfO₂的阻变存储器的性能提供一定理论指导.     

Al掺杂对HfO2俘获层可靠性影响第一性原理研究

采用基于MS(Materials Studio)软件和密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了HfO₂ 俘获层的电荷俘获式存储器(Charge Trapping Memory, CTM)中电荷的保持特性以及耐擦写性. 在对单斜晶HfO₂中四配位氧空位(V_O4) 缺陷和V_O4 与Al替位Hf掺杂的共存缺陷体(Al+V_O4)两种超晶胞模型进行优化之后, 分别计算了其相互作用能、形成能、Bader电荷、态密度以及缺陷俘获能. 相互作用能和形成能的计算结果表明共存缺陷体中当两种缺陷之间的距离为2.216 Å时, 结构最稳定、缺陷最容易形成; 俘获能计算结果表明, 共存缺陷体为双性俘获, 且与V_O4缺陷相比, 俘获能显著增大; Bader电荷分析表明共存缺陷体更有利于电荷保持; 态密度的结果说明共存缺陷体对空穴的局域能影响较强; 计算两种模型擦写电子前后的能量变化表明共存缺陷体的耐擦写性明显得到了改善. 因此在HfO₂俘获层中可以通过加入Al杂质来改善存储器的保持特性和耐擦写性. 本文的研究可为改善CTM数据保持特性和耐擦写性提供一定的理论指导.     

(Cu,N)共掺杂TiO2/MoS2异质结的电子和光学性能:杂化泛函HSE06

在密度泛函理论的基础上,系统地研究了Cu/N（共）掺杂的TiO₂/MoS₂异质结体系的几何结构、电子结构和光学性质.计算发现,TiO₂/MoS₂异质结的带隙相比于纯的TiO₂（101）表面明显变小,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结体系的禁带宽度也明显地减小,这导致光子激发能量的降低和光吸收能力的提高.通过计算Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂的差分电荷密度,发现光生电子与空穴积累在掺杂后的TiO₂（101）表面和单层MoS₂之间,这表明掺杂杂质体系可以有效地抑制光生电子-空穴对的复合.此外,我们计算了在不同压力下TiO₂/MoS₂异质结的几何、电子和光学性质,发现适当增加压力可以有效提高异质结的光吸收性能.本文结果表明,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结和对TiO₂/MoS₂异质结加压都能有效地提高材料的光学性能.     

分子束外延生长Si/GaP(111)异质结的界面特性

本文研究了分子束外延(MBE)生长的n-N型Si/GaP(111)异质结的界面特性。采用C-V法测量Si/GaP(111)异质结的表观载流子浓度分布n(x),从中导出了异质界面的导带失配值和界面电荷密度。实验结果表明,n-N型Si/GaP(111)是一种弱整流结构。导带失配△E_c=0.10eV,界面电荷密度σ_i=8.8×10¹⁰cm^-2。通过表现载流子浓度n(x)的理论计算曲线与实验曲线符合较好,说明了实验结果的可靠性 关键词：     

过渡金属Cu、Cr掺杂TiO2表面氧化性气体NO2光学气敏传感特性

采用密度泛函理论（DFT）体系广义梯度近似（GGA）第一性原理平面波超软赝势方法,分析锐钛矿型TiO₂（101）表面吸附NO₂分子光学气敏传感的微观机理.结果表明：Cu和Cr原子易于掺入TiO₂（101）表面,掺杂表面能稳定地吸附NO₂分子且吸附后光学性质发生显著变化.表面吸附NO₂分子后,Cu掺杂TiO₂（101）表面对分子的吸附能最大,吸附后结构更稳定,分子与表面的距离最短.通过分析差分电荷密度和电荷布居数发现,NO₂分子与基底表面间发生电荷转移,转移电子数目：Cu掺杂表面 > Cr掺杂表面 > 无掺杂表面.对比吸收光谱和反射光谱发现,在Cu掺杂表面吸附分子后,光学性质变化最明显,说明表面与吸附分子间氧化还原能力是决定光学气敏传感性能的核心因素.在过渡金属中,Cu与Cr都有4s价电子结构,其4s电子降低了材料表面氧空位的氧化性,增加了其还原性.对于氧化性气体,可以提升表面与分子的氧化还原作用,而Cu的4s电子更加活泼,从而光学气敏传感特性更加明显.因此,Cu掺杂的TiO₂对氧化性气体是一种较好的光学气敏传感材料.     

电荷俘获存储器数据保持特性第一性原理研究

本文研究HfO₂掺入Al替位Hf杂质和氧空位共同掺杂对电荷俘获型存储器存储特性的影响. HfO₂作为高介电常数材料由于具有缩小器件尺寸、提高器件性能等优势, 被广泛用于CTM的俘获层. 采用MS和VASP研究了HfO₂俘获层中掺入Al对氧空位形成能的影响. 同时计算了两种缺陷在不同距离下的相互作用能. 计算结果表明在HfO₂中掺入Al使得氧空位的形成能降低, 并且三配位氧空位的形成能比四配位氧空位的形成能降低的更多. 通过研究Al和三配位氧空位两种缺陷间不同距离的三种情况, 计算结果表明当缺陷间距为2.107 Å时, 体系的电荷俘获能最大; 量子态数最多; 布居数最小、Al–O键最长. 通过研究三种体系写入空穴后键长的变化, 得出当缺陷间距为2.107 Å时, 写入空穴后体系的Al–O键长变化最小. 以上研究结果表明, 掺入Al后可以有效提高电荷俘获型存储器的数据保持能力. 因而本文的研究为改善电荷俘获型存储器数据保持特性提供一定的理论指导.     

Ta和TaN底电极对原子层淀积HfO2介质MIM电性能的影响

以Ta,TaN为衬底,采用原子层淀积方法制备高介电常数HfO₂介质,比较研究了不同衬底电极对金属-绝缘体-金属（MIM）电容的性能影响.结果表明,采用TaN底电极能够获得较高的电容密度和较小的电容电压系数（VCC）,在1MHz下的其电容密度为7.47fF/μm²,VCC为356ppm/V²和493ppm/V,这归因于TaN底电极与HfO₂介质之间良好的界面特性.两种电容在3?V时漏电流为5×10^-8关键词： 高介电常数 MIM电容 2薄膜')" href="#">HfO₂薄膜 电极     

YFe2B2电子结构的第一性原理计算

基于密度泛函理论,从头计算了具有ThCr₂Si₂型四方晶系的稀土金属化合物Yfe₂B₂体相的物理特性.能量计算结果表明Yfe₂B₂体相处于顺磁金属态;而能带结构、态密度、布居数以及差分电荷　分布的计算结果表明Y原子的5s,5p电子具有很强的局域性;Fe原子的3d电子和B的1s,2s和2p电子强烈耦合,使得最近邻Fe原子与B原子形成了Fe—B共价键;最近邻的两个Fe原子之间由于 关键词： 稀土金属化合物 第一性原理计算 能带结构 态密度     

N2H4在NiFe(111)合金表面吸附稳定性和电子结构的第一性原理研究

采用基于色散校正的密度泛函理论进行了第一性原理研究, 详细分析了肼(N₂H₄)在Ni₈Fe₈/Ni(111)合金表面稳定吸附构型的吸附稳定性和电子结构及成键性质. 通过比较发现, 肼分子以桥接方式吸附在表面的两个Fe原子上是最稳定的吸附构型, 其吸附能为-1.578 eV/N₂H₄. 同时发现, 肼分子在这一表面上吸附稳定性的趋势为: 桥位比顶位吸附更有利, 且在Fe原子上比在Ni原子上的吸附作用更强. 进一步分析了不同吸附位点上稳定吸附构型的电子结构、电荷密度转移以及电子局域化情况. 结果发现: 相同吸附位点的电子态密度图基本一致, 并且N原子的p轨道和与之相互作用的表面原子的d轨道之间存在态密度上的重叠; 吸附后电荷密度则主要从肼分子转移到表面原子之上; 在电子局域化函数切面图中也发现吸附后电子被局域到肼分子的N原子和相邻的表面原子之间. 这些电子结构的表征都充分说明肼分子与表面原子之间通过电荷转移形成了强烈的配位共价作用.     

γ射线作用下氧化铪基MOS结构总剂量效应研究

使用原子层淀积方法得到了7.8 nm厚度的HfO₂薄膜并通过直接溅射金属铝电极得到了Al/HfO₂/Si MOS电容结构,测量得到了HfO₂基MOS结构在60Co γ射线辐照前后的电容-电压特性,使用原子力显微镜得到了HfO₂薄膜在辐照前后的表面微观形貌,使用X射线光电子能谱方法测量得到了HfO₂薄膜在辐照前后的化学结构变化。研究发现,使用原子层淀积方法制备的HfO₂薄膜表面质量较高;γ射线辐照在HfO₂栅介质中产生了数量级为1012 cm-2的负的氧化层陷阱电荷;HfO₂薄膜符合化学计量比,介质内部主要的缺陷为氧空位且随着辐照剂量的增加而增加,说明辐照在介质中引入了陷阱从而导致MOS结构性能的退化。     

电荷俘获存储器的过擦现象

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法和VASP软件对电荷俘获存储器过擦现象进行了分析研究.通过形成能的计算,确定了含有氮空位缺陷的Si3N4和含有间隙氧缺陷的Hf O2作为研究的对象;俘获能的计算结果表明两种体系对电子的俘获能力比对空穴的大,因而对两体系擦写载流子确定为电子.分别计算了Hf O2和Si3N4擦写前后的能量、擦写前后电荷分布变化、吸附能和态密度,以说明过擦的微观机理.对能量和擦写电荷变化的研究,表明Si3N4相比于Hf O2,其可靠性较差,且Si3N4作为俘获层,在一个擦写周期后,晶胞中电子出现减少现象;界面吸附能的研究表明,Si3N4相比于Hf O2在缺陷处更容易与氧进行电子交换;最后,通过对态密度的分析表明Si3N4和Hf O2在对应的缺陷中均有缺陷能级俘获电子,前者为浅能级俘获,后者为深能级俘获.综上分析表明,Si3N4在氮空位的作用下,缺陷附近原子对电子的局域作用变弱,使得Si3N4作为俘获层时,材料本身的电子被擦出,使得擦操作时的平带偏移电压增大,导致存储器发生过擦.本文的研究结果揭示了过擦的本质,对提高电荷俘获存储器的可靠性以及存储特性有着重要的指导意义.     

Atomic-layer-deposited Al_2O_3 and HfO_2 on InAlAs: A comparative study of interfacial and electrical characteristics

Al_2O_3 and HfO_2 thin films are separately deposited on n-type InAlAs epitaxial layers by using atomic layer deposition(ALD).The interfacial properties are revealed by angle-resolved x-ray photoelectron spectroscopy(AR-XPS).It is demonstrated that the Al_2O_3 layer can reduce interfacial oxidation and trap charge formation.The gate leakage current densities are 1.37×10~6 A/cm~2 and 3.22×10~6 A/cm~2 at+1V for the Al_2O_3/InAlAs and HfO_2/InAlAs MOS capacitors respectively.Compared with the HfO_2/InAlAs metal-oxide-semiconductor(MOS) capacitor,the Al_2O_3/InAlAS MOS capacitor exhibits good electrical properties in reducing gate leakage current,narrowing down the hysteresis loop,shrinking stretch-out of the C-V characteristics,and significantly reducing the oxide trapped charge(Q_(ot)) value and the interface state density(D_(it)).     

Electron trapping properties at HfO_2/SiO_2 interface,studied by Kelvin probe force microscopy and theoretical analysis

Electron trapping properties at the HfO_2/SiO_2 interface have been measured through Kelvin Probe force microscopy,between room temperature and 90 ℃.The electron diffusion in HfO_2 shows a multiple-step process.After injection,electrons diffuse quickly toward the HfO_2/SiO_2 interface and then diffuse laterally near the interface in two sub-steps:The first is a fast diffusion through shallow trap centers and the second is a slow diffusion through deep trap centers.Evolution of contact potential difference profile in the fast lateral diffusion sub-step was simulated by solving a diffusion equation with a term describing the charge loss.In this way,the diffusion coefficient and the average life time at different temperatures were extracted.A value of 0.57 eV was calculated for the activation energy of the shallow trap centers in HfO_2.     

溶胶凝胶法制备以HfO2为绝缘层和ZITO为有源层的高迁移率薄膜晶体管

采用溶胶凝胶法制备了h-k氧化铪HfO₂薄膜, 经500℃退火后, 获得了高透过率、表面光滑、低漏电流和相对高介电常数的HfO₂薄膜. 并采用氧化铪作为绝缘层和锌铟锡氧化物作为有源层成功地制备了底栅顶接触结构薄膜晶体管器件. 获得的薄膜晶体管器件的饱和迁移率大于100 cm²·V^-1·s^-1, 阈值电压为-0.5 V, 开关比为5×10⁶, 亚阈值摆幅为105 mV/decade. 表明采用溶胶凝胶制备的薄膜晶体管具备高的迁移率, 其迁移率接近低温多晶硅薄膜晶体管的迁移率.     

金衬底调控单层二硫化钼电子性能的第一性原理研究

基于密度泛函的第一性原理研究了金衬底对单层二硫化钼电子性能的调控作用. 从结合能、能带结构、电子态密度和差分电荷密度四个方面进行了深入研究. 结合能计算确定了硫原子层在界面的排布方式, 并指出这种吸附结构并不稳定. 能带结构分析证实了金衬底与单层二硫化钼形成肖特基接触, 并出现钉扎效应. 电子态密度分析表明金衬底并没有影响硫原子和钼原子之间的共价键, 而是通过调控单层二硫化钼的电子态密度增加其导电率. 差分电荷密度分析表明单层二硫化钼的导电通道可能在界面处产生. 研究结果可对单层二硫化钼晶体管的建模和实验制备提供指导.     

Effect of the stoichiometry on the electronic structure of the Ni（111）/α-Al2O3（0001） interface： a first-principles investigation

In this paper first-principles calculations of Ni（111）/α-Al2O3（0001） interfaces have been performed, and are compared with the preceding results of the Cu （111）/α-Al2O3（0001） interface [2004 Phil. Mag. Left. 84 425]. The AI- terminated and O-terminated interfaces have quite different adhesion mechanisms, which are similar to the Cu（111）/α Al2O3（0001） interface. For the O-terminated interface, the adhesion is caused by the strong O-2p/Ni-3d orbital hybridization and ionic interactions. On the other hand, the adhesion nature of the Al-terminated interface is the image-like electrostatic and Ni-Al hybridization interactions, the latter is substantial and cannot be neglected. Charge transfer occurs from Al2O3 to Ni, which is opposite to that in the O=terminated interface. The charge transfer direction for the Al-terminated and O-terminated Ni（111）/α-A1203（0001） interfaces is similar to that in the corresponding Cu（111）/α- Al2O3（0001） interface, but there exist the larger charge transfer quantity and consequent stronger adhesion nature, respectively.     

Improvement of the high-κ/Ge interface thermal stability using an in-situ ozone treatment characterized by conductive atomic force microscopy

In this work, an in-situ ozone treatment is carried out to improve the interface thermal stability of HfO₂/Al₂O₃ gate stack on germanium (Ge) substrate. The micrometer scale level of HfO₂/Al₂O₃ gate stack on Ge is studied using conductive atomic force microscopy (AFM) with a conductive tip. The initial results indicate that comparing with a non in-situ ozone treated sample, the interface thermal stability of the sample with an in-situ ozone treatment can be substantially improved after annealing. As a result, void-free surface, low conductive spots, low leakage current density, and relative high breakdown voltage high-κ/Ge are obtained. A detailed analysis is performed to confirm the origins of the changes. All results indicate that in-situ ozone treatment is a promising method to improve the interface properties of Ge-based three-dimensional (3D) devices in future technology nodes.