考虑量子化效应的MOSFET阈值电压解析模型

根据改进后的三角势阱场近似，并考虑量子化效应，提出了一种基于物理的阈值电压解析模型，给出了MOSFET的阈值电压解析表达式，并与经典理论和数值模拟结果进行了比较. 关键词： 量子效应 阈值电压 反型层 表面势     

纳米MOSFET迁移率解析模型

从玻尔兹曼方程出发，重新计算了纳米MOSFET沟道内的载流子所服从的分布函数，特别是考虑了纳米MOSFET横向电场和纵向电场之间的相互作用，并且以得到的非平衡状态下的分布函数为基础，考虑载流子寿命和速度的统计分布，给出了纳米MOSFET载流子迁移率的解析表达式.通过与数值模拟结果进行比较和分析，该迁移率解析模型形式简洁、物理概念清晰，且具有相当精度. 关键词： 玻尔兹曼方程 纳米MOSFET 迁移率 沟道有效电场     

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.     

阻变存储器复合材料界面及电极性质研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理对比研究了Cu（111）/HfO₂（001）,Cu（111）/HfO₂（010）,Cu（111）/HfO₂（100）三种复合材料界面模型的失配率、界面束缚能、电荷密度、电子局域函数以及差分电荷密度. 计算结果表明：Cu（111）/HfO₂（010）失配率最小,界面束缚能最大,界面体系相对最稳定;对比电荷密度及电子局域函数图显示,只有HfO₂（010）方向形成的复合材料体系出现了垂直Cu电极方向完整连通的电子通道,表明电子在此方向上具有局域性、连通性,与阻变存储器（RRAM）器件导通方向一致;差分电荷密度图显示,Cu（111）/HfO₂（010）复合材料体系界面处存在电荷密度分布重叠的现象,界面处有电子的相互转移、成键的存在;进一步计算了Cu（111）/HfO₂（010）体系距离界面不同位置的间隙Cu原子形成能,表明越靠近界面Cu原子越容易进入HfO₂ 体内,在外加电压下易发生电化学反应,从而导致Cu导电细丝的形成与断裂. 研究结果可为RRAM存储器的制备及性能的提高提供理论指导和设计工具. 关键词： 阻变存储器 复合材料 界面 电子通道     

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.     

缺陷对电荷俘获存储器写速度影响

基于密度泛理论的第一性原理以及VASP软件,研究了电荷俘获存储器(CTM)中俘获层HfO2在不同缺陷下(3价氧空位(VO3)、4价氧空位(VO4)、铪空位(VHf)以及间隙掺杂氧原子(IO))对写速度的影响.对比计算了HfO2在不同缺陷下对电荷的俘获能、能带偏移值以及电荷俘获密度.计算结果表明:VO3,VO4与VHf为单性俘获,IO则是双性俘获,HfO2在VHf时俘获能最大,最有利于俘获电荷;VHf时能带偏移最小,电荷隧穿进入俘获层最容易,即隧穿时间最短;同时对电荷俘获密度进行对比,表明VHf对电荷的俘获密度最大,即电荷被俘获的概率最大.通过对CTM的写操作分析以及计算结果可知,CTM俘获层m-HfO2在VHf时的写速度比其他缺陷时的写速度快.本文的研究将为提高CTM操作速度提供理论指导.     

密度泛函理论研究氧空位对HfO2晶格结构和电学特性影响?

HfO2因高k值、热稳定性良好和相对Si导带偏移良好等特点,作为电荷俘获型存储器栅介质材料得到了广泛研究。为了明确高k俘获层提高CTM电荷俘获效率的原因,运用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了氧空位引起HfO2的晶格变化及其影响计算结果显示优化后氧空位最近邻氧原子间距明显减小,次近邻O与Hf间距变化稍小。优化后氧空位明显改变局部晶格,而对较远晶格影响逐渐减弱,即引起了局部晶格变化深能级和导带电子态密度主要是Hf原子贡献,而价带则是O原子贡献。优化后各元素局部电子态密度和总电子态密度都明显大于未优化体系,局部电子态密度之和比总电子态密度小。优化后俘获电荷主要在氧空位周围和相邻氧原子上,而未优化时电荷遍布整个体系。优化后缺陷体系电荷局域能增大,电荷量增加时未优化体系电荷局域能明显减小,即晶格变化无饱和特性对电荷局域影响大。说明晶格变化对电荷的俘获能力较强,有利于改善存储器特性。     

HfO_2中影响电荷俘获型存储器的氧空位特性第一性原理研究

随着器件尺寸进一步等比例缩小,高k材料HfO2作为俘获层的电荷俘获型存储器展现了较好的耐受性和较强的存储能力,且工艺相对简单,与传统半导体工艺完全兼容,因此得到了广泛的研究.为研究HfO2中氧空位引入的缺陷能级对电荷俘获型存储器存储特性的影响,运用第一性原理计算分析了HfO2中的氧空位缺陷.通过改变缺陷超胞中的电子数模拟器件的写入和擦除操作,发现氧空位对电荷的俘获基本上不受氧空位之间距离的影响,而氧空位个数则影响对电子的俘获,氧空位数多,俘获电子的能力就强.此外,四价配位的氧空位俘获电子的能力比三价配位的氧空位大.态密度分析发现四价配位的氧空位引入深能级量子态数大,并且受氧空位之间的距离影响小,对电子的俘获概率大.结果表明,HfO2中四价配位的氧空位缺陷有利于改善电荷俘获型存储器的存储特性.     

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.