Название:Исследование влияния деполяризующих полей на удержание остаточной поляризации в тонкопленочных структурах M/PZT/M(S) с целью создания однотранзисторной элементарной ячейки современной энергонезависимой сегнетоэлектрической памяти
Грантодатель:РФФИ
Область знаний:02 - ФИЗИКА И АСТРОНОМИЯ
Научная дисциплина:02-202 Полупроводники 02-204 Поверхность и тонкие пленки
Ключевые слова:поляризационный заряд, деполяризующее поле, удержание остаточной поляризации, сегнетоэлектрический полевой транзистор, энергонезависимая память
Время действия проекта:2010-2012
Тип:исследовательский
Руководитель(и):Грехов,ИВ
Подразделения:
Код проекта:10-02-00562
Финансирование 2010 г.:700000
Исполнители: Анкудинов,АВ: лаб. физико-химических свойств полупроводников (Терукова,ЕИ)
Бакалейников,ЛА: лаб. прикладной математики и математической физики (Руколайне,СА)
Гущина,ЕВ: лаб. оптики поверхности (Берковица,ВЛ)
Делимова,ЛА: лаб. мощных полупроводниковых приборов (Векслера,МИ)
Димитров,ЕА: лаб. мощных полупроводниковых приборов (Векслера,МИ)
Линийчук,ИА: лаб. мощных полупроводниковых приборов (Векслера,МИ)
Юферев,ВС : лаб. прикладной математики и математической физики (Руколайне,СА)
Задачей проекта является исследование влияния деполяризующих полей на удержание остаточной поляризации в тонкопленочных структурах M/PZT/M(S) современной энергонезависимой сегнетоэлектрической (СЭ) памяти с целью решения фундаментальной проблемы создания сегнетоэлектрической памяти, элементарная ячейка которой состоит из одного транзистора 1Т. В такой структуре информация хранится в виде остаточной поляризации СЭ затвора, а неразрушающее считывание обеспечивается контролем проводимости полупроводникового канала. Поляризационный заряд на границе СЭ затвор/канал создает в полупроводнике поперечное электрическое поле, направление которого зависит от направления СЭ поляризации, что обеспечивает модуляцию проводимости канала транзистора в зависимости от направления поляризации. Принципиально важно, что указанное электрическое поле будет существовать в полупроводнике даже при нулевом потенциале на затворе. Преимущества ячейки СЭ памяти 1Т, перед обычной ячейкой, состоящей из МОП транзистора и СЭ конденсатора, 1Т-1С, очевидны: неразрушающее считывание электрическим сигналом и увеличение плотности записи за счет уменьшения числа элементов в одной ячейке. Однако, несмотря на усилия многих исследователей до сих пор создать коммерческую память 1Т не удается. Основная причина этого состоит в чрезвычайно малом (дни) времени удержания поляризации в 1Т ячейке в период ожидания между записью и считыванием, в то время как в ячейке 1Т-1С оно составляет годы. С точки зрения процессов в СЭ основное различие между памятью 1Т-1С и 1Т состоит в том, что в СЭ конденсаторе при нулевом напряжении возможна полная компенсация связанного поляризационного заряда свободными зарядами электрода, поэтому внутри СЭ не возникает деполяризующего поля. В памяти 1Т ситуация совершенно другая. Связанный поляризационный заряд на границе СЭ затвор/канал не может и не должен быть скомпенсирован носителями канала, так как этот заряд предназначен для генерации в канале поперечного электрического поля, что и обеспечивает модуляцию его проводимости. Однако, этот же некомпенсированный поляризационный заряд приводит к появлению в СЭ затворе внутреннего поля, которое направлено против поляризации, вызывая обратное переворачивание доменов и уменьшение остаточной поляризации; это поле называется деполяризующим. Установлено, что состояние с ненулевым полем деполяризации и, соответственно, с меньшим, чем остаточное, значением поляризации оказывается нестабильным и за короткое время происходит разрушение поляризации. Можно предполагать, что существует критическая величина поля деполяризации, ниже которой не развиваются процессы быстрой деградации остаточной поляризации. В этом проекте мы намерены исследовать возможность существования такого критического поля. Таким образом, деполяризующее поле, с одной стороны, оказывается необходимым условием работы памяти 1Т, с другой стороны, является главной причиной плохого удержания поляризации. Условия работы памяти 1Т являются противоречивыми, и это противоречие не удается разрешить в обычной конструкции СЭ полевого транзистора. В настоящем проекте для решения этой проблемы предлагается исследовать возможность создания принципиально новой конструкции СЭ затвора с пространственно неоднородной поляризацией, которая создается путем чередования участков с полной компенсацией поляризационного заряда (нулевого поля деполяризации) и участков с ненулевым поляризационным зарядом, ответственным за модуляцию полупроводникового канала. Основанием того, что такая конструкция возможна, являются результаты наших исследований фототока в поликристаллических пленках PZT, где наблюдаемый фотовольтаический эффект обусловлен наличием в межгранульных прослойках деполяризующего поля, генерированного некомпенсированным поляризационным зарядом PZT зерен. Как показали наши эксперименты, по крайней мере, в течение 5000 часов выполняются оба требования, предъявляемые к 1Т памяти: имеются зерна PZT, в которых сохраняется поляризация, и области границы зерна и межгранульные прослойки, где существует деполяризующее поле, не приводящее к разрушению остаточной поляризации внутри зерна. Это дает серьезные основания считать, что предлагаемый нами подход к конструированию 1Т памяти может оказаться успешным. В проекте мы намерены с помощью разработанных нами методик исследовать времена удержания поляризации и деполяризующее поле в структурах M/PZT/M(S) совместно с интегральными и локальными измерениями поляризации структур. Предполагается также провести детальное теоретическое и численное исследование поляризации и деполяризующего поля в M/PZT/M(S) структурах с пространственно неоднородной поляризацией. На основе развитой двумерной модели рассчитать координатные зависимости электростатического потенциала, электрического поля и поляризации в пространственно неоднородной структуре для широкого спектра геометрических параметров структуры СЭ затвора. На основе проведенного моделирования сделать оценки параметров СЭ транзистора и сформулировать требования к профилю, размерам и электрофизическим параметрам СЭ затвора и канала, что позволит сформулировать требования к конструкции и технологии изготовления СЭ затвора.