随着半导体工艺节点的不断缩小,现有存储技术将面临物理极限,亟需研发新型存储技术,推动存储器向更高密度、更低功耗和更快速度等方向发展。在新型存储器中,铁电存储器是有力候选者之一。传统含铅或铋铁电存储器由于其铁电层变薄后铁电性难以保持,在65 nm工艺以下已经销声匿迹。直到2011年,掺杂或者不掺杂的氧化铪薄膜铁电特性的发现,基于氧化铪的铁电存储器迅速吸引学术界和产业界研究人员的密切关注。铪基存储器不仅与现有半导体工艺完美兼容,同时薄膜在10 nm尺度具有足够极化强度,打破了传统铁电储存器的瓶颈。不过,在铪基铁电存储器的铁电相稳定化和铁电薄膜击穿等方面仍理解不清晰。本论文将通过第一性原理对铪基铁电存储器进行理论研究。本论文第三章系统的研究了Hf_xZr_1-xO₂材料铁电相的稳定化。通过对总能量的分析得到材料最优原子结构,随后进行热力学计算发现,Hf_xZr_1-xO₂铁电薄膜内部存在单斜相、四方相和铁电相竞争过程,铁电相在Zr含量为50%时才会胜出。而存在氧空位后,铁电相和四方相竞争变得更加剧烈,需要Zr含量低于30%,铁电相才能胜出,为Hf_xZr_1-xO₂铁电存储器最优成分提供有力的理论解释。本论文在第四章提出铪基铁电存储器的击穿模型,解释存储器中严重的击穿问题。并通过GGA-1/2新算法计算TiN/HfO₂/TiN和TaN/HfO₂/TaN器件肖特基势垒,应用模型解释实验中用TaN作电极相对TiN作电极,氧化铪薄膜更容易出现击穿的问题。为解决铪基铁电存储器击穿提供思路,为铪基铁电存储器材料和结构设计提供指导。