一种用于提取铁电材料动态阻尼因子的方法技术

本发明专利技术公开一种用于提取铁电材料动态阻尼因子的方法，所述方法通过对待测铁电器件施加脉冲电压信号，读取铁电层电流和电压反馈信号，通过积分计算获得铁电极化强度，结合朗道

【技术实现步骤摘要】
一种用于提取铁电材料动态阻尼因子的方法


[0001]本专利技术属于半导体器件电学测试领域，具体涉及一种用于提取铁电材料动态阻尼因子的方法。

技术介绍

[0002]自从氧化铪(HfO2)薄膜中发现铁电特性以来，研究发现基于氧化铪薄膜的铁电场效应晶体管(FeFET)技术在内存计算应用中具有低功耗、高速读取、非破坏性读出操作、高集成密度和逻辑应用的优点。然而，当在时钟速度为GHz级的互补金属氧化物半导体（CMOS）电路集成时，由于铁电翻转可能无法达到超快的时钟速度，这些铁电器件的动态开关行为需要进行进一步研究。在动态开关过程中，铁电薄膜中的偶极子存在不可忽略的阻尼效应，导致对周期输入电压信号的反相响应。动态阻尼因子ξ
FE
是确定铁电场效应晶体管最大工作频率和最小功耗的重要参数，为了评价铁电场效应晶体管器件的速度响应特性需要研究提取该参数。
[0003]据报道，模拟仿真和实验计算两种方法都可以基于朗道
·
卡拉特尼科夫Landau
‑
Khalatnikov理论得到铁电介质的阻尼因子。模拟仿真方法是通过改变ξ
FE
值来拟合电流
‑
时间曲线与实测数据。但是，由于测量数据的不理想性和模型的“不太”准确使得仿真结果与实验结果的拟合不完美，所以该方法对ξ
FE
的估计不准确。实验计算方法是基于动态ξ
FE
阻尼因子不随翻转速度的变化而变化的假设来获得ξ
FE
，而在实际应用中，基于高
‑
κ的铁电介质可能不符合这一假设。因此，亟需提出一种用于提取铁电材料动态阻尼因子的方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有动态阻尼因子提取方法中存在的不足问题，在脉冲铁电电学特性测试过程中，提供一种简单有效的应用于提取铁电材料动态阻尼因子的方法。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：本专利技术实施例提出了一种用于提取铁电材料动态阻尼因子的方法，所述方法具体包括以下步骤：（1）通过信号发生器向待测铁电电容器的一端施加脉冲测试所需幅度和频率的输入脉冲电压信号V
in
，并通过示波器一通道采集输入脉冲电压信号V
in
（2）通过示波器二通道采集经过待测铁电电容器的输出脉冲电压信号V
out
；（3）计算流经待测铁电电容器的电流I
FE
与压降V
FE
；（4）对通过待测铁电电容器的电流I
FE
从t = 0开始到铁电电容器电压降达到V
FE
的时间进行积分，得到被测铁电电容器的极化强度；（5）根据朗道
·
卡拉特尼科夫方程，在极化强度P
‑
电场E曲线中选择两个极化强度大小相等，正负相反的点A和
Ā
，使P
A =
ꢀ‑
P
Ā
；将P
A 和 P
Ā
分别代入朗道
·
卡拉特尼科夫方程，消除朗道
·
德文希尔系数，得到朗道
·
卡拉特尼科夫简化方程；（6）取A1点、A2点，其中A1点、A2点的极化强度大小与A点的极化强度之差均小于阈值；取
Ā1点、
Ā2点，其中
Ā1点、
Ā2点的极化强度大小与
Ā
的极化强度之差均小于阈值；所
述阈值为待测铁电电容器极化强度P
‑
电场E曲线中最大极化强度的1%；并近似认为A、A1、A2三个点ξ
FE，A
相等，
Ā
、
Ā1、
Ā2三个点的ξ
FE，
Ā
相等，根据步骤（5）得到的朗道
·
卡拉特尼科夫简化方程，分别构建关于A1点、A2点和
Ā1点、
Ā2点的朗道
·
卡拉特尼科夫简化方程，求解得到A点和
Ā
点对应的阻尼因子。
[0006]进一步地，所述方法在脉冲电学特性测试系统上实现，该系统包括信号发生器、示波器、探针台、控制器；信号发生器通过探针台与待测铁电电容器的输入端连接；所述示波器的一通道与二通道通过探针台分别与待测铁电电容器的输入端、输出端相连；所述控制器用于完成信号平均，极化强度积分计算和阻尼因子提取的数学运算；在测试全程中，所述信号发生器、示波器、探针台均与公共地连接。
[0007]进一步地，所述信号发生器、示波器和元件间的连接线缆的阻抗均为50 Ω。
[0008]进一步地，所述输入脉冲电压信号为三角波或矩形波。
[0009]进一步地，计算流经待测铁电电容器的电流I
FE
与压降V
FE
的公式如下：I
FE
= V
out / RV
FE = V
in
ꢀ–ꢀ
V
out
其中，R为电路阻抗。
[0010]进一步地，根据基尔霍夫定律，测试系统的电路阻抗R为50 Ω。
[0011]进一步地，所述步骤（5）具体为：朗道
·
卡拉特尼科夫方程的公式如下：,其中，ξ
FE
为阻尼因子，P为待测铁电电容器的极化强度，t为时间，α、β和γ为朗道
·
德文希尔系数，E
FE
为施加在待测铁电电容器上的电场；为了消除未知的α、β和γ，在正向扫描回路选择两个极化强度大小相等，正负相反的点A和
Ā
，使P
A =
ꢀ‑
P
Ā
；将P
A 和 P
Ā
分别代入朗道
•
卡拉特尼科夫方程，将两式分别相加，其中α、β和γ可以被消除，得到朗道
•
卡拉特尼科夫简化方程，公式如下：其中，ξ
FE，A
为A点对应的阻尼因子；ξ
FE，
Ā
为
Ā
点对应的阻尼因子；E
FE，A
为A点对应的电场强度，E
FE，
Ā
为
Ā
点对应的电场强度；根据I
FE = dP/dt时，朗道
•
卡拉特尼科夫简化方程可进一步简化为：其中，I
A
为A点对应的电流，I
Ā
为
Ā
点对应的电流。
[0012]进一步地，所述步骤（6）中分别构建关于A1点、A2点和
Ā1点、
Ā2点的朗道
·
卡拉特尼科夫简化方程，求解得到A点和
Ā
点对应的阻尼因子具体为：关于A1点、A2点和
Ā1点、
Ā2点的朗道
·
卡拉特尼科夫简化方程的公式如下：
其中，为A1点对应的电流，为
Ā1点对应的电流，为A1点对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于提取铁电材料动态阻尼因子的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：（1）通过信号发生器向待测铁电电容器的一端施加脉冲测试所需幅度和频率的输入脉冲电压信号V
in
，并通过示波器一通道采集输入脉冲电压信号V
in
（2） 通过示波器二通道采集经过待测铁电电容器的输出脉冲电压信号V
out
；（3）计算流经待测铁电电容器的电流I
FE
与压降V
FE
；（4）对通过待测铁电电容器的电流I
FE
从t = 0开始到铁电电容器电压降达到V
FE
的时间进行积分，得到被测铁电电容器的极化强度；（5）根据朗道
·
卡拉特尼科夫方程，在极化强度P
‑
电场E曲线中选择两个极化强度大小相等，正负相反的点A和
Ā
，使P
A =
ꢀ‑
P
Ā
；将P
A 和 P
Ā
分别代入朗道
·
卡拉特尼科夫方程，消除朗道
·
德文希尔系数，得到朗道
·
卡拉特尼科夫简化方程；（6）取A1点、A2点，其中A1点、A2点的极化强度与A点的极化强度之差均小于阈值；取
Ā1点、
Ā2点，其中
Ā1点、
Ā2点的极化强度与
Ā
的极化强度之差均小于阈值；所述阈值为待测铁电电容器极化强度P
‑
电场E曲线中最大极化强度的1%；并近似认为A、A1、A2三个点ξ
FE，A
相等，
Ā
、
Ā1、
Ā2三个点的ξ
FE，
Ā
相等，根据步骤（5）得到的朗道
·
卡拉特尼科夫简化方程，分别构建关于A1点、A2点和
Ā1点、
Ā2点的朗道
·
卡拉特尼科夫简化方程，求解得到A点和
Ā
点对应的阻尼因子。2.根据权利要求1所述的用于提取铁电材料动态阻尼因子的方法，其特征在于，所述方法在脉冲电学特性测试系统上实现，该系统包括信号发生器、示波器、探针台、控制器；信号发生器通过探针台与待测铁电电容器的输入端连接；所述示波器的一通道与二通道通过探针台分别与待测铁电电容器的输入端、输出端相连；所述控制器用于完成信号平均，极化强度积分计算和阻尼因子提取的数学运算；在测试全程中，所述信号发生器、示波器、探针台均与公共地连接。3.根据权利要求2所述的用于提取铁电材料动态阻尼因子的方法，其特征在于，所述信号发生器、示波器和元件间连接线缆的阻抗均为50 Ω。4.根据权利要求1所述的用于提取铁电材料动态阻尼因子的方法，其特征在于，所述输入脉冲电压信号为三角波或矩形波。5.根据权利要求1所述的用于提取铁电材料动态阻尼因子的方法，其特征在于，计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：程然，孙颖，陈冰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：