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凝聚态物理 > 材料科学

arXiv:2508.19674 (cond-mat)
[提交于 2025年8月27日 ]

标题: 原子尺度关于机器学习原子间势中氢迁移的见解:将原子扩散与器件性能联系起来

标题: Atomistic insights into hydrogen migration in IGZO from machine-learning interatomic potential: linking atomic diffusion to device performance

Authors:Hyunsung Cho, Minseok Moon, Jaehoon Kim, Eunkyung Koh, Hyeon-Deuk Kim, Rokyeon Kim, Gyehyun Park, Seungwu Han, Youngho Kang
摘要: 理解氢扩散对于提高氧化物薄膜晶体管(TFT)的可靠性和性能至关重要,其中氢在载流子调制和偏置不稳定性中起关键作用。 在本工作中,我们使用机器学习原子间势分子动力学(MLIP-MD)模拟研究非晶IGZO($a$-IGZO)和$c$轴对齐结晶IGZO(CAAC-IGZO)中的氢扩散。 我们通过微调通用预训练的MLIP SevenNet-0,构建了精确的相特异性MLIP,并将模型与涵盖氢相关构型和扩散环境的全面数据集进行验证。 氢扩散率在650–1700 K范围内评估,结果显示在$a$-IGZO中,由于玻璃基质,在750 K以上扩散率增强,而较低温度下的扩散则受刚性网络限制。 扩散率的阿伦尼乌斯外推表明,在300–400 K下,氢在$a$-IGZO中可在$10^{4}$秒内到达沟道/绝缘体界面,这可能有助于负偏压应力引起的器件退化。 轨迹分析显示,$a$-IGZO中的长程扩散是由氢跳跃和翻转机制共同实现的。 在CAAC-IGZO中,氢表现出高的平面内扩散率,但由于沿$c$轴的高能垒,其面外传输受到严重限制。 CAAC-IGZO中有限的垂直扩散表明对偏置不稳定性影响最小。 本工作通过利用大规模MLIP-MD模拟,将原子级的氢传输机制与器件级性能联系起来。
摘要: Understanding hydrogen diffusion is critical for improving the reliability and performance of oxide thin-film transistors (TFTs), where hydrogen plays a key role in carrier modulation and bias instability. In this work, we investigate hydrogen diffusion in amorphous IGZO ($a$-IGZO) and $c$-axis aligned crystalline IGZO (CAAC-IGZO) using machine learning interatomic potential molecular dynamics (MLIP-MD) simulations. We construct accurate phase-specific MLIPs by fine-tuning SevenNet-0, a universal pretrained MLIP, and validate the models against a comprehensive dataset covering hydrogen-related configurations and diffusion environments. Hydrogen diffusivity is evaluated over 650--1700 K, revealing enhanced mobility above 750 K in $a$-IGZO due to the glassy matrix, while diffusion at lower temperatures is constrained by the rigid network. Arrhenius extrapolation of the diffusivity indicates that hydrogen in $a$-IGZO can reach the channel/insulator interface within $10^{4}$ seconds at 300--400 K, likely contributing to negative bias stress-induced device degradation. Trajectory analysis reveals that long-range diffusion in $a$-IGZO is enabled by a combination of hydrogen hopping and flipping mechanisms. In CAAC-IGZO, hydrogen exhibits high in-plane diffusivity but severely restricted out-of-plane transport due to a high energy barrier along the $c$-axis. This limited vertical diffusion in CAAC-IGZO suggests minimal impact on bias instability. This work bridges the atomic-level hydrogen transport mechanism and device-level performance in oxide TFTs by leveraging large-scale MLIP-MD simulations.
评论: 13页,9图,附录信息作为附加文件(+15页)
主题: 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci)
引用方式: arXiv:2508.19674 [cond-mat.mtrl-sci]
  (或者 arXiv:2508.19674v1 [cond-mat.mtrl-sci] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.19674
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Hyunsung Cho [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 8 月 27 日 08:32:00 UTC (10,577 KB)
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