铁电器件中极化与击穿过程的原位激光光电子显微成像研究

本文推荐：研究团队开发了集成交流/直流电学表征系统（ADECS）的原位激光光电子发射显微镜（laser-PEEM），成功实现了对Hf0.5Zr0.5O2（HZO）铁电电容器极化-电压（P-V）特性的无损观测，首次通过顶部电极可视化击穿导电路径和氧化物半导体（InZnOx）的极化对比，为铁电场效应晶体管（FeFET）和铁电隧道结（FTJ）的失效机制研究提供了突破性技术手段。

　　

Highlight

我们开发了集成铁电表征系统的原位激光光电子发射显微镜（laser-PEEM）。通过内置索耶-托尔电路（Sawyer-Tower circuit），成功测量了铁电器件的极化-电压（P-V）特性曲线。该系统在Hf_0.5Zr_0.5O₂（HZO）铁电电容器中获得了典型的场循环滞回曲线，并首次在无需破坏处理的情况下，通过顶部电极直接观测到场应力导致的介电击穿导电路径。

观察铁电电容器的疲劳与击穿过程

采用C_st=20 nF参数的原位激光-PEEM系统，我们捕捉到铁电电容器从疲劳到击穿的全过程。样品设计面积为40 μm×30 μm，通过正负上下脉冲（PUND）方法消除寄生电容影响。如图6所示，在施加双极场应力1个周期后，测得2P_r为47 μC/cm²——这与传统HZO电容器的唤醒特性高度吻合。

结论

本研究的激光-PEEM系统结合ADECS，首次实现了对HfO₂基铁电器件极化对比和电子态分布的双重测量。通过优化标准电容C_st，我们不仅获得了清晰的HZO电容器滞回曲线，更在介电击穿后直接观察到导电路径的纳米级形貌。这项技术为铁电场效应晶体管（FeFET）和铁电隧道结（FTJ）等器件的失效分析开辟了全新途径。