近日，微電子所微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉明院士的科研團(tuán)隊(duì)在HfO₂基鐵電存儲器研究領(lǐng)域取得了進(jìn)展，提出了一種基于Hf_0.5Z_0.5rO₂（HZO）材料的鐵電二極管（Fe-diode），并實(shí)現(xiàn)了三維集成。 

       鐵電存儲器具有高速、低功耗、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，是下一代非揮發(fā)性存儲器的有力競爭者之一。然而，傳統(tǒng)鐵電材料與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容性差問題和尺寸微縮難的問題制約著鐵電存儲器的發(fā)展。2011年，摻雜HfO₂的鐵電材料的問世開啟了鐵電存儲器研究的新時(shí)代。HZO材料的鐵電性起源問題是該領(lǐng)域長期爭議的焦點(diǎn)。在本項(xiàng)工作中，微電子所科研團(tuán)隊(duì)利用原子分辨率球差校正透射電鏡，觀察到了Hf/Zr和O原子的在晶格中的排列，國際上首次確認(rèn)了Pca2₁相的存在，為HfO₂鐵電的基礎(chǔ)理論提供了最為直接的證據(jù)。 

　　不同結(jié)構(gòu)的HfO₂基鐵電存儲器（1T1C、FeFET和FTJ）已相繼問世。1T1C結(jié)構(gòu)的鐵電存儲器是破環(huán)性讀取，操作復(fù)雜，對疲勞特性要求高；FeFET可實(shí)現(xiàn)三維集成，但不能實(shí)現(xiàn)隨機(jī)訪問；FTJ是一種電阻型存儲器，但由于線性低阻態(tài)，用于垂直結(jié)構(gòu)的三維交叉陣列中存在串?dāng)_問題。微電子所科研團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的HZO基鐵電二極管（Fe-diode）器件，通過極化方向的改變來控制鐵電二極管導(dǎo)通方向。由于界面勢壘的存在，該器件具有高度的非線性（>100），可以克服交叉陣列中的漏電，實(shí)現(xiàn)自選通功能。該器件操作速度<20ns，疲勞特性>10⁹，開態(tài)電流密度>200A/cm²，實(shí)現(xiàn)了垂直尺寸小于20nm的三維集成。 

　　上述成果于2020年3月13日以“A highly CMOS compatible hafnia-based ferroelectric diode”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上（DOI:10.1038/s41467-019-13827-6）。微電子所羅慶副研究員和華師大成巖副教授為該文章第一作者，微電子所劉明院士、呂杭炳研究員為共同通訊作者。上述工作得到了國家基金委、科技部、中科院等相關(guān)項(xiàng)目的資助。 

　　全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15159-2 

圖（a）HZO鐵電相的原子排列。（b）三維垂直結(jié)構(gòu)的TEM圖。

（c）鐵電二級管的典型IV特性曲線。（d）該器件可以實(shí)現(xiàn)20ns的操作速度。