铁电材料及铁电电子器件电学表征测试方法

概述

铁电材料是指在一定温度范围内具有自发极化, 且极化方向能被外加电场改变的材料。

软模理论是基于晶体的晶格振动的理论，按照软模理论，铁电有序是经过晶胞中心的光学横模被冻结的结果，这样晶体内部就形成了自发极化，这些偶极子可以被外电场调控，排序一致的区域形成铁电畴。

铁电材料的研究经历了罗息盐时期——发现铁电性、KDP时期——建立热力学理论——钙钛矿时期——建立软模理论以及铁电薄膜及器件四个时期。

常见的铁电材料

无机铁电体

钛酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅(PZT）、铅镁钽酸锆（PMN-PT）、铌酸锂(LiNbO3以及氧化锶钡（BSO）等，是目前应用最广泛的铁电材料。

有机铁电体

聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物，具有柔性、易加工的特点。

多铁性材料

兼具铁电性与铁磁性的材料，如铋铁氧体(BiFeO3，在多功能器件领域有潜在价值。

核心特性

1本质特征

自发极化即使没有外加电场，材料内部的正负电荷中心也会发生偏移，形成固有电偶极矩。

2电滞回线

当施加交变电场时，铁电材料的极化强度可以受到电场调控但是表现出来非易失现象，即出现电滞回线，这是判断材料是否为铁电体的关键依据。

① 饱和极化强度Ps：电场足够大时极化达到的最大值。

② 剩余极化强度Pr：撤去外电场后残留的极化强度。

③ 矫顽场Ec：使极化强度降为零所需的反向电场强度。

3居里温度

铁电材料存在一个临界温度，称为居里温度（Tc）。当温度高于Tc时，材料的自发极化消失，转变为普通的顺电体；温度低于Tc时，才表现出铁电特性。

主要应用

1存储器

利用极化方向的可逆翻转存储二进制信息，如铁电随机存取存储器（FeRAM），具有读写速度快、断电不丢失数据的优点。

2传感器与执行器

基于逆压电效应（电场致形变）和正压电效应（压力致生电），用于制作压力传感器、超声换能器、微位移执行器。

3光学器件

铌酸锂等铁电材料具有电光效应，可用于制作光调制器、激光频率转换器。

应用场景

铁电电阻器件主要包括包括场效应晶体管、电容、RAM（随机存储器）和非易失性存储器以及电子突触器件等，特别是存储和电子突触领域，在单器件研发和Fab厂量产迅速发展，具有广阔的前景。

铁电材料从传统存储、传感向存算一体、电卡制冷、铁电催化等前沿领域快速拓展，其非易失性、高响应速度与多场耦合特性使其成为下一代电子器件的核心材料之一。

未来发展方向包括：高性能材料研发（如无铅铁电、二维铁电）、器件结构创新（如M3D集成、存算一体阵列）以及AI辅助材料设计，以进一步提升性能、降低成本并拓展应用边界。

铁电材料及铁电电子器件电性能表征

铁电材料及铁电电子器件电性能表征，可以从材料基本电特性、存储特性以及突触可塑性三个方面进行表征。主要测试项目：I-V 、C-V和P-V（单个三角脉冲和连续三角脉冲即PUND）、FORCE、畴翻转动力学、RTN、Retention和Endurance测试。

I-V测试

要用于表征其漏电流特性、介电击穿行为以及导电机制，常与电滞回线测试（P-E 测试） 配合。

测试方法

用SMU模块或PMU模块进行压扫描，设置单向扫描（从0→V_max或0→-V_max）或双向扫描（0→V_max→0→-V_max→0）。

C-V测试

表征极化翻转、介电常数、电畴动力学及界面特性，其典型曲线呈 “蝴蝶形”，与电滞回线（P-E）关联。

测试方法

用CVU模块在直流偏压上叠加小幅交流信号，测量不同电压下的电容与损耗。

P-V测试

极化—电压测试（P-V，电滞回线），表征铁电极化、剩余极化Pr、矫顽场Ec与极化翻转动力学，反映电畴翻转与铁电开关特性。

测试方法

用PMU模块施加三角波 / 梯形波电压，测量位移电流与漏电流，积分得到极化强度P，绘制P-V回线。

FORC测试

分析铁电薄膜矫顽场和内建场的分布密度，并根据其分布规律及演化来研究薄膜内建电场、带电缺陷、畴钉扎效应对薄膜宏观电学性能的影响。

测试方法[1]

使样品在场Esat中逐渐达到饱和，然后减小电场至翻转场Er，接着使电场返回到Esat，对于不同的翻转场Er重复此过程以完成一系列的FORC回线。

畴翻转测试

广泛用于描述铁电畴在电场作用下的翻转过程，以此评估畴翻转速度。铁电薄膜内的铁电畴翻转通常受限于铁电畴成核及畴壁移动。对于多晶多相的铁电薄膜，铁电畴的翻转过程通常遵循KAI以及NLS模型[2]。

测试方法[3]

先施加一个预脉冲使铁电畴完全翻转，接下来，施加一个一定赋值和脉宽的反向写脉冲，紧接着两个连续的读脉冲用于读取在写脉冲作用下获得的铁电极化，最后，施加refresh脉冲使铁电畴重新翻转至同一方向。

RTN测试

低频噪声是器件中缺陷特性的体现。随器件尺寸进一步微缩，器件内的缺陷数量足够少时，低频噪声主要表现为RTN，体现了单个陷阱对载流子捕获及去捕获的过程。

RTN被称为随即电报噪声，信号形态类似于电报，电流始终在对立的电流态之间来回跳变，对应着陷阱对载流子的随机捕获与释放行为。

测试方法[4]

在通过IDS进行表征之前，需要先施加擦除和编程电压，其特征参数包括平均捕获时间ԏc、平均发射时间ԏe与信号跳变幅值ΔIDS。实际RTN信号中电荷被捕获或发射所需的时间遵循统计分布，因此通常用ԏc和ԏe来衡量时域特性，用ΔIDS/IDS来表示RTN幅值的大小。

Retention测试

用于评估极化状态在零偏压下随时间的稳定性。

对于铁电和存储类脑器件需要表征的参数：极化强度保持率Pr、保持时间Retention time、正负极化的保持对称性等。

测试方法[3]

“写→保持→读→对比”，以量化Pr衰减、判读失效机制并外推长期寿命。

Endurance测试

测试通过反复极化翻转，评估Pr、Vc、Ileak随循环次数N的退化，量化失效周期Nf与寿命，用于FeRAM /FeFET可靠性验证。

测试方法[3]

双极脉冲交替写入P+与P-，定期非破坏性读取 Pr(N)、Vc(N)、Ileak(N)，绘制Pr(N)/Pr(0)-N、Vc(N)-N、Ileak(N)-N 曲线。

铁电材料及器件电性能表征测试方案

■ 4200A-SCS主机（标配Clarius）

■ 2个SMU高精度源表+2个4200-PA前置放大器

■ 1个PMU脉冲+2个RPM远程采样模块

■ 1个CVU

方案优势

10fA小电流测试能力

Clarius软件自带铁电项目

SMU、CVU和PMU自动切换

不同模块组合测试1/f噪声

半导体材料与器件测试领域普遍采用

铁电存储器或类脑阵列可通过增加MP5000实现

参考文献

[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).