[论文解读] The First Switch Effect in Ferroelectric Field-Effect Transistors

Priyankka Gundlapudi Ravikumar, Prasanna Venkatesan+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2026

Ferroelectric and Negative Capacitance Devices被引用 0

一句话总结

第一脉冲在原始 FEFET 中引发最多的陷阱形成与降解，揭示出两阶段的耐久性失效：先是开关时的界面陷阱，然后是栅堆栈更深处在双极循环中诱发的陷阱，与 MOSFET 不同。

ABSTRACT

In this work, a ferroelectric field-effect transistor (FEFET) is systematically characterized and compared with an equivalent standard MOSFET with an equivalent oxide thickness. We show that these two devices, with a silicon channel, exhibit similar pristine state transfer characteristics but starkly different endurance characteristics. In contrast to the MOSFET, the FEFET shows a significant increase in sub-threshold swing in the first write pulse. Based on this, we reveal that this first write pulse (cycle 1) generates more than half of the total traps generated during the fatigue cycling in FEFETs. We call this the 'First Switch Effect'. Further, by polarizing a pristine FEFET step by step, we demonstrate a direct correlation between the switched polarization and interface trap density during the first switch. Through charge pumping measurements, we also observe that continued cycling generates traps more towards the bulk of the stack, away from the Si/SiO2 interface in FEFETs. We establish that: (1) the first switch effect leads to approximately 50% of the total trap density (Nit) near the Si/SiO2 interface until memory window closure; and (2) further bipolar cycling leads to trap generation both at and away from Si/SiO2 interface in FEFETs.

研究动机与目标

• 理解限制 FEFET 耐久性的降解机制的必要性。
• 将原始 FEFET 与等效 MOSFET 进行比较，以 isolating 铁电特有效应。
• 识别并量化首次开关降解及其对界面陷阱密度与记忆窗的影响。
• 证明切换极化与首次开关期间界面陷阱密度之间的相关性。
• 利用充电泵测量在循环中表征陷阱分布，以区分界面陷阱与体相陷阱的形成。

提出的方法

• 在 p-type 硅上制备带 8 nm Hf0.5Zr0.5O2 铁电层与 1 nm SiO2 界面层的 n 通道 FEFET，以及用于对照的采用非晶 HZO 电介质的 MOSFET。
• 通过 C-V、Id-Vg 转移以及在单极与双极应力条件下对记忆窗进行测量来表征，持续循环至 1000 次。
• 从双极 PGM/ERS 状态测量中定义记忆窗 MW，并提取亚阈值摆幅 SS 的演化。
• 对原始 FEFET 进行分步极化，并将剩余极化（PUND）与 SS 及陷阱密度相关联。
• 使用频率相关的充电泵来在空间上绘制陷阱生成（靠近界面 vs 更深处于栅堆栈）。
• 将循环频率下的陷阱密度演化进行比较，以区分通道近端与体相陷阱。

实验结果

研究问题

• RQ1 原始器件中首次写入时 FEFET 的降解机制是什么？
• RQ2 首次开关事件如何影响界面陷阱密度与亚阈值摆幅，相较于随后的双极循环？
• RQ3 在循环过程中栅堆栈内的陷阱生成如何分布（界面 vs 体相）在 FEFET 与 MOSFET 中？
• RQ4 首次开关期间切换的极化与陷阱形成之间的关系是什么？
• RQ5 在 FEFET 中单极 vs 双极应力下记忆窗的降解程度如何？

主要发现

• 首次写入脉冲在 FEFET 中引起亚阈值摆幅从 120 mV/dec 快速提升到 280 mV/dec 的大幅即时增加。
• 在双极循环中，总体 SS 降解的大约一半发生在首次开关时。
• 在单极应力下，首次开关约占总缺陷生成的 90%，后续循环几乎没有额外降解。
• 充电泵揭示在循环过程中生成的陷阱在 FEFET 中同时出现在接近 Si/SiO2 界面和栅堆栈更深处，与 MOSFET 主要在界面附近的陷阱不同。
• 记忆窗在约 5000 次双极循环后关闭，SS 继续上升至约 450 mV/dec 直至 MW 闭合。
• 首次开关期间切换的极化量与界面层陷阀密度的增加之间存在直接相关性。