正交晶系Hf$_{0.5}$Zr$_{0.5}$O$_2$/SiO$_2$/Si栅叠层中氧空位缺陷的第一性原理研究

铁电HfO$_2$基硅场效应晶体管(Si FeFET)的栅缺陷在其可靠性问题中起主导作用。第一性原理计算是从原子尺度理解栅缺陷的有效方法。然而，迄今为止尚未见关于FeFET栅叠层即金属/正交晶系-Hf$_{0.5}$Zr$_{0.5}$O$_2$/SiO$_2$/Si结构缺陷的第一性原理研究。关键挑战在于金属/正交晶系-Hf$_{0.5}$Zr$_{0.5}$O$_2$/SiO$_2$/Si栅叠层模型的构建。在此，我们采用Hf$_{0.5}$Zr$_{0.5}$O$_2$(130)高指数晶面作为正交铁电层，构建了无任意隙态的正交晶系-Hf$_{0.5}$Zr$_{0.5}$O$_2$/SiO$_2$/Si栅叠层的稳健原子结构。其高结构稳定性归因于绝缘界面。计算的能带偏移表明该栅结构为I型能带排列。此外，缺陷的形成能与电荷转移能级(CTLs)揭示，相较于氧间隙和Hf/Zr空位等其他缺陷，氧空位缺陷更易形成，且其CTLs主要局域于Si导带底与价带顶附近，与已报道的实验结果一致。氧空位缺陷是Si FeFET中电荷俘获/去俘获行为的成因。本工作为理解栅缺陷提供了见解，并为开展铁电HfO$_2$基Si FeFET的第一性原理研究铺平了道路。