互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息技術(shù)的快速發(fā)展，對存儲器的存儲密度、訪問速度以及操作次數(shù)都提出了更高的要求。氧化鉿基鐵電存儲器具有低功耗、高速、高可靠性等優(yōu)勢，被認(rèn)為是下一代非易失性存儲器技術(shù)的潛在解決方案。現(xiàn)在普遍研究的正交相（orthorhombic phase，簡稱“o相”）HfO2基鐵電材料由于自身高鐵電翻轉(zhuǎn)勢壘和“獨(dú)立翻轉(zhuǎn)”的偶極子翻轉(zhuǎn)模式，使基于該鐵電材料的器件具有高矯頑場，進(jìn)而導(dǎo)致器件工作電壓與先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)不兼容、擦寫次數(shù)受限等問題。這一問題是基于o相HfO2基鐵電材料的本征特性，難以通過傳統(tǒng)的優(yōu)化工藝加以解決。因此，尋找一個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且具有低翻轉(zhuǎn)勢壘的HfO2基鐵電材料是迫切需要解決的難題。
針對這一問題，微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉明院士團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院物理所杜世萱研究員團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)現(xiàn)了一種穩(wěn)定的鐵電三方相Hf(Zr)1+xO2材料結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)降低了HfO2基鐵電材料中鐵電偶極子的翻轉(zhuǎn)勢壘。通過基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Hf(Zr)1+xO2材料中，Hf(Zr)與氧的比例大于1.079:2時，三方相的形成能低于鐵電o相和單斜相（m相）的形成能。掃描透射電子顯微鏡（STEM）實(shí)驗(yàn)清晰顯現(xiàn)了過量Hf(Zr)原子嵌入在鐵電三方相晶格的晶體結(jié)構(gòu)，證實(shí)了理論計(jì)算的結(jié)果。嵌入的Hf(Zr)原子擴(kuò)展了晶格，增加了其面內(nèi)和面外應(yīng)力，起到了穩(wěn)定Hf(Zr)1+xO2材料結(jié)構(gòu)和降低其鐵電翻轉(zhuǎn)勢壘的作用。基于Hf(Zr)1+xO2薄膜的鐵電器件展示了超低矯頑場（~0.65MV/cm）、高剩余極化（Pr）值(22μC/cm2的)、小的飽和極化電場（1.25MV/cm）、和大的擊穿電場（4.16MV/cm），并在飽和極化下實(shí)現(xiàn)了1012次循環(huán)的耐久性。這一研究結(jié)果為低功耗、低成本、長壽命的存儲器芯片提供了一種有效的解決方案。
該研究成果得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院的支持。成果近期發(fā)表在Science期刊上（DOI: 10.1126/science.adf6137），微電子所王淵博士為文章的第一作者，中國科學(xué)院大學(xué)陶蕾博士為共同第一作者，微電子所劉明院士、羅慶研究員和中國科學(xué)院物理所杜世萱研究員為該文章的共同通訊作者。此外，參與本工作的主要研究人員還包括微電子所劉宇工程師和楊陽博士、中國科學(xué)院大學(xué)Roger Guzman博士和周武研究員等。
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf6137
圖1平面鐵電電容器的基本特性及Hf(Zr)1+xO2薄膜的結(jié)構(gòu)表征
圖2富含Hf(Zr)原子的菱面體Hf(Zr)1+xO2薄膜的原子尺度STEM分析
圖3 基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算
圖4基于Hf(Zr)1+xO2薄膜的鐵電電容器的性能
綜合信息