概述

鐵電材料是指在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化, 且極化方向能被外加電場(chǎng)改變的材料。

軟模理論是基于晶體的晶格振動(dòng)的理論，按照軟模理論，鐵電有序是經(jīng)過(guò)晶胞中心的光學(xué)橫模被凍結(jié)的結(jié)果，這樣晶體內(nèi)部就形成了自發(fā)極化，這些偶極子可以被外電場(chǎng)調(diào)控，排序一致的區(qū)域形成鐵電疇。

鐵電材料的研究經(jīng)歷了羅息鹽時(shí)期——發(fā)現(xiàn)鐵電性、KDP時(shí)期——建立熱力學(xué)理論——鈣鈦礦時(shí)期——建立軟模理論以及鐵電薄膜及器件四個(gè)時(shí)期。

常見(jiàn)的鐵電材料

無(wú)機(jī)鐵電體

鈦酸鋇(BaTiO3)、鋯鈦酸鉛(PZT）、鉛鎂鉭酸鋯（PMN-PT）、鈮酸鋰(LiNbO3以及氧化鍶鋇（BSO）等，是目前應(yīng)用最廣泛的鐵電材料。

有機(jī)鐵電體

聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物，具有柔性、易加工的特點(diǎn)。

多鐵性材料

兼具鐵電性與鐵磁性的材料，如鉍鐵氧體(BiFeO3，在多功能器件領(lǐng)域有潛在價(jià)值。

核心特性

1本質(zhì)特征

自發(fā)極化即使沒(méi)有外加電場(chǎng)，材料內(nèi)部的正負(fù)電荷中心也會(huì)發(fā)生偏移，形成固有電偶極矩。

2電滯回線

當(dāng)施加交變電場(chǎng)時(shí)，鐵電材料的極化強(qiáng)度可以受到電場(chǎng)調(diào)控但是表現(xiàn)出來(lái)非易失現(xiàn)象，即出現(xiàn)電滯回線，這是判斷材料是否為鐵電體的關(guān)鍵依據(jù)。

① 飽和極化強(qiáng)度Ps：電場(chǎng)足夠大時(shí)極化達(dá)到的最大值。

② 剩余極化強(qiáng)度Pr：撤去外電場(chǎng)后殘留的極化強(qiáng)度。

③ 矯頑場(chǎng)Ec：使極化強(qiáng)度降為零所需的反向電場(chǎng)強(qiáng)度。

3居里溫度

鐵電材料存在一個(gè)臨界溫度，稱為居里溫度（Tc）。當(dāng)溫度高于Tc時(shí)，材料的自發(fā)極化消失，轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ǖ捻橂婓w；溫度低于Tc時(shí)，才表現(xiàn)出鐵電特性。

主要應(yīng)用

1存儲(chǔ)器

利用極化方向的可逆翻轉(zhuǎn)存儲(chǔ)二進(jìn)制信息，如鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（FeRAM），具有讀寫速度快、斷電不丟失數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。

2傳感器與執(zhí)行器

基于逆壓電效應(yīng)（電場(chǎng)致形變）和正壓電效應(yīng)（壓力致生電），用于制作壓力傳感器、超聲換能器、微位移執(zhí)行器。

3光學(xué)器件

鈮酸鋰等鐵電材料具有電光效應(yīng)，可用于制作光調(diào)制器、激光頻率轉(zhuǎn)換器。

應(yīng)用場(chǎng)景

鐵電電阻器件主要包括包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管、電容、RAM（隨機(jī)存儲(chǔ)器）和非易失性存儲(chǔ)器以及電子突觸器件等，特別是存儲(chǔ)和電子突觸領(lǐng)域，在單器件研發(fā)和Fab廠量產(chǎn)迅速發(fā)展，具有廣闊的前景。

鐵電材料從傳統(tǒng)存儲(chǔ)、傳感向存算一體、電卡制冷、鐵電催化等前沿領(lǐng)域快速拓展，其非易失性、高響應(yīng)速度與多場(chǎng)耦合特性使其成為下一代電子器件的核心材料之一。

未來(lái)發(fā)展方向包括：高性能材料研發(fā)（如無(wú)鉛鐵電、二維鐵電）、器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新（如M3D集成、存算一體陣列）以及AI輔助材料設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提升性能、降低成本并拓展應(yīng)用邊界。

鐵電材料及鐵電電子器件電性能表征

鐵電材料及鐵電電子器件電性能表征，可以從材料基本電特性、存儲(chǔ)特性以及突觸可塑性三個(gè)方面進(jìn)行表征。主要測(cè)試項(xiàng)目：I-V 、C-V和P-V（單個(gè)三角脈沖和連續(xù)三角脈沖即PUND）、FORCE、疇翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)、RTN、Retention和Endurance測(cè)試。

I-V測(cè)試

要用于表征其漏電流特性、介電擊穿行為以及導(dǎo)電機(jī)制，常與電滯回線測(cè)試（P-E 測(cè)試） 配合。

測(cè)試方法

用SMU模塊或PMU模塊進(jìn)行壓掃描，設(shè)置單向掃描（從0→V_max或0→-V_max）或雙向掃描（0→V_max→0→-V_max→0）。

C-V測(cè)試

表征極化翻轉(zhuǎn)、介電常數(shù)、電疇動(dòng)力學(xué)及界面特性，其典型曲線呈 “蝴蝶形”，與電滯回線（P-E）關(guān)聯(lián)。

測(cè)試方法

用CVU模塊在直流偏壓上疊加小幅交流信號(hào)，測(cè)量不同電壓下的電容與損耗。

P-V測(cè)試

極化—電壓測(cè)試（P-V，電滯回線），表征鐵電極化、剩余極化Pr、矯頑場(chǎng)Ec與極化翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)，反映電疇翻轉(zhuǎn)與鐵電開(kāi)關(guān)特性。

測(cè)試方法

用PMU模塊施加三角波 / 梯形波電壓，測(cè)量位移電流與漏電流，積分得到極化強(qiáng)度P，繪制P-V回線。

FORC測(cè)試

分析鐵電薄膜矯頑場(chǎng)和內(nèi)建場(chǎng)的分布密度，并根據(jù)其分布規(guī)律及演化來(lái)研究薄膜內(nèi)建電場(chǎng)、帶電缺陷、疇釘扎效應(yīng)對(duì)薄膜宏觀電學(xué)性能的影響。

測(cè)試方法[1]

使樣品在場(chǎng)Esat中逐漸達(dá)到飽和，然后減小電場(chǎng)至翻轉(zhuǎn)場(chǎng)Er，接著使電場(chǎng)返回到Esat，對(duì)于不同的翻轉(zhuǎn)場(chǎng)Er重復(fù)此過(guò)程以完成一系列的FORC回線。

疇翻轉(zhuǎn)測(cè)試

廣泛用于描述鐵電疇在電場(chǎng)作用下的翻轉(zhuǎn)過(guò)程，以此評(píng)估疇翻轉(zhuǎn)速度。鐵電薄膜內(nèi)的鐵電疇翻轉(zhuǎn)通常受限于鐵電疇成核及疇壁移動(dòng)。對(duì)于多晶多相的鐵電薄膜，鐵電疇的翻轉(zhuǎn)過(guò)程通常遵循KAI以及NLS模型[2]。

測(cè)試方法[3]

先施加一個(gè)預(yù)脈沖使鐵電疇完全翻轉(zhuǎn)，接下來(lái)，施加一個(gè)一定賦值和脈寬的反向?qū)懨}沖，緊接著兩個(gè)連續(xù)的讀脈沖用于讀取在寫脈沖作用下獲得的鐵電極化，最后，施加refresh脈沖使鐵電疇重新翻轉(zhuǎn)至同一方向。

RTN測(cè)試

低頻噪聲是器件中缺陷特性的體現(xiàn)。隨器件尺寸進(jìn)一步微縮，器件內(nèi)的缺陷數(shù)量足夠少時(shí)，低頻噪聲主要表現(xiàn)為RTN，體現(xiàn)了單個(gè)陷阱對(duì)載流子捕獲及去捕獲的過(guò)程。

RTN被稱為隨即電報(bào)噪聲，信號(hào)形態(tài)類似于電報(bào)，電流始終在對(duì)立的電流態(tài)之間來(lái)回跳變，對(duì)應(yīng)著陷阱對(duì)載流子的隨機(jī)捕獲與釋放行為。

測(cè)試方法[4]

在通過(guò)IDS進(jìn)行表征之前，需要先施加擦除和編程電壓，其特征參數(shù)包括平均捕獲時(shí)間?c、平均發(fā)射時(shí)間?e與信號(hào)跳變幅值ΔIDS。實(shí)際RTN信號(hào)中電荷被捕獲或發(fā)射所需的時(shí)間遵循統(tǒng)計(jì)分布，因此通常用?c和?e來(lái)衡量時(shí)域特性，用ΔIDS/IDS來(lái)表示RTN幅值的大小。

Retention測(cè)試

用于評(píng)估極化狀態(tài)在零偏壓下隨時(shí)間的穩(wěn)定性。

對(duì)于鐵電和存儲(chǔ)類腦器件需要表征的參數(shù)：極化強(qiáng)度保持率Pr、保持時(shí)間Retention time、正負(fù)極化的保持對(duì)稱性等。

測(cè)試方法[3]

“寫→保持→讀→對(duì)比”，以量化Pr衰減、判讀失效機(jī)制并外推長(zhǎng)期壽命。

Endurance測(cè)試

測(cè)試通過(guò)反復(fù)極化翻轉(zhuǎn)，評(píng)估Pr、Vc、Ileak隨循環(huán)次數(shù)N的退化，量化失效周期Nf與壽命，用于FeRAM /FeFET可靠性驗(yàn)證。

測(cè)試方法[3]

雙極脈沖交替寫入P+與P-，定期非破壞性讀取 Pr(N)、Vc(N)、Ileak(N)，繪制Pr(N)/Pr(0)-N、Vc(N)-N、Ileak(N)-N 曲線。

鐵電材料及器件電性能表征測(cè)試方案

■ 4200A-SCS主機(jī)（標(biāo)配Clarius）

■ 2個(gè)SMU高精度源表+2個(gè)4200-PA前置放大器

■ 1個(gè)PMU脈沖+2個(gè)RPM遠(yuǎn)程采樣模塊

■ 1個(gè)CVU

方案優(yōu)勢(shì)

10fA小電流測(cè)試能力

Clarius軟件自帶鐵電項(xiàng)目

SMU、CVU和PMU自動(dòng)切換

不同模塊組合測(cè)試1/f噪聲

半導(dǎo)體材料與器件測(cè)試領(lǐng)域普遍采用

鐵電存儲(chǔ)器或類腦陣列可通過(guò)增加MP5000實(shí)現(xiàn)

參考文獻(xiàn)

[1] Acta Phys Sin 70,127702(2021).

[2] [1] Nat Commun 15, 2893(2024).

[3] ACS Adv Mater Interfaces 16, 42415-42425(2024)

[4] IEEE Elec Dev Lett 45,566-569(2024).