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改變的材料。

軟模理論是基于晶體的晶格振動的理論，按照軟模理論，鐵電有序是經(jīng)過晶胞中心的光學橫模被凍結的結果，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)歷了羅息鹽時期——發(fā)現(xiàn)鐵電性、KDP時期——建立熱力學理論——鈣鈦礦時期——建立軟模理論以及鐵電薄膜及器件四個時期。

常見的鐵電材料

無機鐵電體

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，是目前應用最廣泛的鐵電材料。

有機鐵電體

聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物，具有柔性、易加工的特點。

多鐵性材料

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

核心特性

1本質(zhì)特征

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

2電滯回線

當施加交變電場時，鐵電材料的極化強度可以受到電場調(diào)控但是表現(xiàn)出來非易失現(xiàn)象，即出現(xiàn)電滯回線，這是判斷材料是否為鐵電體的關鍵依據(jù)。

① 飽和極化強度Ps：電場足夠大時極化達到的最大值。

② 剩余極化強度Pr：撤去外電場后殘留的極化強度。

③ 矯頑場Ec：使極化強度降為零所需的反向電場強度。

3居里溫度

鐵電材料存在一個臨界溫度，稱為居里溫度（Tc）。當溫度高于Tc時，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，才表現(xiàn)出鐵電特性。

主要應用

1存儲器

利用極化方向的可逆翻轉(zhuǎn)存儲二進制信息，如鐵電隨機存取存儲器（FeRAM），具有讀寫速度快、斷電不丟失數(shù)據(jù)的優(yōu)點。

2傳感器與執(zhí)行器

基于逆壓電效應（電場致形變）和正壓電效應（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光學器件

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

應用場景

鐵電電阻器件主要包括包括場效應晶體管、電容、RAM（隨機存儲器）和非易失性存儲器以及電子突觸器件等，特別是存儲和電子突觸領域，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、傳感向存算一體、電卡制冷、鐵電催化等前沿領域快速拓展，其非易失性、高響應速度與多場耦合特性使其成為下一代電子器件的核心材料之一。

未來發(fā)展方向包括：高性能材料研發(fā)（如無鉛鐵電、二維鐵電）、器件結構創(chuàng)新（如M3D集成、存算一體陣列）以及AI輔助材料設計，以進一步提升性能、降低成本并拓展應用邊界。

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、存儲特性以及突觸可塑性三個方面進行表征。主要測試項目：I-V 、C-V和P-V（單個三角脈沖和連續(xù)三角脈沖即PUND）、FORCE、疇翻轉(zhuǎn)動力學、RTN、Retention和Endurance測試。

I-V測試

要用于表征其漏電流特性、介電擊穿行為以及導電機制，常與電滯回線測試（P-E 測試） 配合。

測試方法

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

C-V測試

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

測試方法

用CVU模塊在直流偏壓上疊加小幅交流信號，測量不同電壓下的電容與損耗。

P-V測試

極化—電壓測試（P-V，電滯回線），表征鐵電極化、剩余極化Pr、矯頑場Ec與極化翻轉(zhuǎn)動力學，反映電疇翻轉(zhuǎn)與鐵電開關特性。

測試方法

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

FORC測試

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

測試方法[1]

使樣品在場Esat中逐漸達到飽和，然后減小電場至翻轉(zhuǎn)場Er，接著使電場返回到Esat，對于不同的翻轉(zhuǎn)場Er重復此過程以完成一系列的FORC回線。

疇翻轉(zhuǎn)測試

廣泛用于描述鐵電疇在電場作用下的翻轉(zhuǎn)過程，以此評估疇翻轉(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。對于多晶多相的鐵電薄膜，鐵電疇的翻轉(zhuǎn)過程通常遵循KAI以及NLS模型[2]。

測試方法[3]

先施加一個預脈沖使鐵電疇完全翻轉(zhuǎn)，接下來，施加一個一定賦值和脈寬的反向?qū)懨}沖，緊接著兩個連續(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測試

低頻噪聲是器件中缺陷特性的體現(xiàn)。隨器件尺寸進一步微縮，器件內(nèi)的缺陷數(shù)量足夠少時，低頻噪聲主要表現(xiàn)為RTN，體現(xiàn)了單個陷阱對載流子捕獲及去捕獲的過程。

RTN被稱為隨即電報噪聲，信號形態(tài)類似于電報，電流始終在對立的電流態(tài)之間來回跳變，對應著陷阱對載流子的隨機捕獲與釋放行為。

測試方法[4]

在通過IDS進行表征之前，需要先施加擦除和編程電壓，其特征參數(shù)包括平均捕獲時間?c、平均發(fā)射時間?e與信號跳變幅值ΔIDS。實際RTN信號中電荷被捕獲或發(fā)射所需的時間遵循統(tǒng)計分布，因此通常用?c和?e來衡量時域特性，用ΔIDS/IDS來表示RTN幅值的大小。

Retention測試

用于評估極化狀態(tài)在零偏壓下隨時間的穩(wěn)定性。

對于鐵電和存儲類腦器件需要表征的參數(shù)：極化強度保持率Pr、保持時間Retention time、正負極化的保持對稱性等。

測試方法[3]

“寫→保持→讀→對比”，以量化Pr衰減、判讀失效機制并外推長期壽命。

Endurance測試

測試通過反復極化翻轉(zhuǎn)，評估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可靠性驗證。

測試方法[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試方案

■ 4200A-SCS主機（標配Clarius）

■ 2個SMU高精度源表+2個4200-PA前置放大器

■ 1個PMU脈沖+2個RPM遠程采樣模塊

■ 1個CVU

方案優(yōu)勢

10fA小電流測試能力

Clarius軟件自帶鐵電項目

SMU、CVU和PMU自動切換

不同模塊組合測試1/f噪聲

半導體材料與器件測試領域普遍采用

鐵電存儲器或類腦陣列可通過增加MP5000實現(xiàn)

參考文獻

[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).