Modeling and simulation of ferroelectric devices

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung und Simulation eines neuen Typus von nichtfüchtigen Speicherzellen. Dieser nützt die ferroelektrische Hysterese, eine Materialeigenschaft, die insbesondere bei Perowskiten weit verbreitet ist, um Informationzu speichern. Diese Bauelemente sind, in erster Linie wegen ihres signifikant niedrigeren Energieverbrauches und dem einfacheren Schreibzugriff die vielversprechendste Alternative zu den bereits exististierenden nichtflüchtigen Speicherzellen wie EPROM, EEPROM undFlash-Speicher.Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war, für die Analyse dieses neuen Speichertyps geeignete Modelle zu finden und deren Implementierung in den Bauelement-Simmlator MINIMOS-NT.Ausgehend von bestehenden, eindimensionalen Hysteresemodellen wurden Algorithmen entwickelt, die für die zweidimensionale Simulation ferroelektrischer Materialien geeignet sind,und zwar sowohl für die Simulation von Einkristallen als auch für die Simulation polykristalliner Strukturen.Zusätzlich zur Entwicklung und Implementierung der zweidimensionalen Algorithmen wirddas transiente Verhalten gründlich untersucht und ein neuer, auf Differenzialgleichungenbasierender Ansatz vorgestellt. Mit diesem kann im Frequenzbereich bis IMHz eine ausgezeichnete Übereinstimmung zu Messdaten erreicht werden.Besondere Sorgfalt wurde für die Implementierung in den Simulator MINIMOS-NT aufgewendet. Im Rahmen des von MINIMOS-NT verwendeten generischen Ansatzes wurde ein modıulares Konzept entwickelt, das einfach erweiterbar ist. Dies trägt der rasanten technologischenEntwicklung Rechnung, im Zuge derer das Wissen über ferroelektrische Materialien und dieZahl der möglichen Anwendungen beständig wächst.Um mögliche Anwendungsfelder der neuen Software aufzuzeigen, werden praxisnahe Beispielevorgestellt. Eine dieser Anwendungen schlägt eine Brücke zur Schaltungsimulation, eineweitere bietet einen genauen Einblick in die Feldverhältnisse in einem isotropen Kristall.Das letzte Beispiel liefert die erste tiefere Analyse des ferroelektrischen Feldeffekt Transistors (FEMFET), eines der vielversprechendsten nicht füchtigen Speicherbauelemente, und es wer-den bereits eine Reihe kritischer Aufgabestellungen Bauelementeigenschaften und Haltbarkeit betreffend aufgezeigt.

This work deals with the modeling and the simulation of ferroelectric non-volatile memorycells. Their design strategy utilizes the hysteresis in the D/E characteristics that occurs in some of the perovskite type crystals. These devices are the most promising alternativeto standard non-volatile memories like EPROM, EEPROM and Flash, primarily because oftheir drastically lower energy consumption and the easier write access.The basic purpose of this work was to find models for a rigorous analysis of this new type of storage devices and their implementation into the device simulator MINIMOS-NT. Starting from an analysis of existing models, suitable approaches that match the constraints of two-dimensional device simulation were developed. These include algorithms for single crystals as well as for structures built by a large number of arbitrarily oriented grains.In addition to the development and Implementation of these two-dimensional algorithms,also transient properties are thoroughly investigated, and a new model based on differential equations was introduced. This model offers an excellent fit to Ihe measured data for afrequency range from zero up to IMHz.Special care was taken regarding the Implementation of the new models into the device simulator MINIMOS-NT. Following the generic approach of MINIMOS-NT a modular concept was found that will also be easily extendable to future simulation tasks, which is absolutely necessary as the knowledge about ferroelectric materials and the possible applications is stil lincreasing.In order to demonstrate possible applications of the new tools a series of concrete examples isprovided. One of these examples builds a bridge from two-dimensional device geometry to circuit simulation, another one allows deep insight into the field properties inside ananisotropic crystal. The last example serves as the first profound analysis of a new, very promising non volatile memory cell, the ferroeleetric Geld effect, trausistor (FEMFET), and several critical issues concerning device performance and reliability are pointed out.