As the electronic devices have been scaled down to the nanoscale regime, the silicon-based devices have faced electrical and material limitations. To overcome these challenges, ferroelectric-based devices have attracted much attention to be a candidate for emerging electronic devices. Among the emerging ferroelectric-based devices, ferroelectric tunnel junctions (FTJs) are suggested as one of the emerging memory devices and can be utilized by various applications such as neuromorphic devices. After recent studies discovered the ferroelectric phase of HfO2, these outstanding properties of the ferroelectric HfO2 provide a breakthrough to commercialize FTJs. However, many studies have reported that the HfO2 based FTJs have shown poorer device performances compared to the perovskite oxide-based FTJs. Since HfO2-based FTJs still are at the early development stage, further works are required to improve the device performance. In this thesis, the device performances of the ferroelectric HfO2 tunnel junction are evaluated by the macroscopic model using Landau theory and quantum transport simulation. Also, to consider the atomistic effects which are not described by the macroscopic model, the first-principles density functional calculations are performed about the device characteristics of HfO2-based FTJs. Based on the simulation results, we suggest the design guideline to improve the performance of FTJs based on ferroelectric HfO2.
소자의 크기가 수 나노 수준으로 줄어들면서 기존의 실리콘 기반의 반도체 소자는 전기적, 물성적 한계에 직면하고 있다. 최근 많은 연구에서 강유전체는 반도체 소자의 한계를 극복하기 위한 재료로 제시되고 있으며, 강유전체를 기반한 다양한 전자소자가 연구되고 있다. 그 중 강유전체 터널 접합은 차세대 비휘발성 메모리 소자로 각광받고 있으며, 더 나아가 신경소자와 같은 응용 소자로의 활용가능성을 보여주고 있다. 최근 산화 하프늄에서 강유전체상이 발견된 후 강유전체 터널 접합 소자의 활용과 상용화를 위한 기틀을 마련해주고 있다. 그러나, 최근 연구들에서 보고된 산화 하프늄 기반 강유전체 터널 접합 소자는 페로브스카이트 구조의 강유전체 터널접합과 비교하여 매우 떨어지는 소자 성능을 보여주고 있다. 산화 하프늄 기반의 강유전체 터널 접합은 아직 연구 초기 단계에 있어, 소자 성능 향상을 위한 다양한 이론적, 실험적 연구가 필요하다. 본 학위 논문에서는 란다우 이론과 양자역학적 전하수송 계산을 통하여 강유전체 산화 하프늄을 기반한 강유전체 터널접합의 기본 소자 특성을 평가한다. 또한, 기존의 모델을 통하여 기술하지 못하는 원자수준의 효과를 반영하여 소자 특성을 평가하기 위하여 제일원리 밀도 범함수 이론을 이용하고자 한다. 이러한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 강유전체 산화 하프늄 기반 강유전체 터널 접합의 소자 특성 향상 방안과 설계 방향을 제시하고자 한다.
