【儀表網 研發快訊】互聯網、人工智能等信息技術的快速發展，對存儲器的存儲密度、訪問速度以及操作次數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、高可靠性等優勢，被認為是下一代非易失性存儲器技術的潛在解決方案。現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勢壘和“獨立翻轉”的偶極子翻轉模式，使基于該鐵電材料的器件具有高矯頑場，導致器件工作電壓與先進技術節點不兼容、擦寫次數受限等問題。這一問題是基于o相HfO2基鐵電材料的本征特性，難以通過傳統的優化工藝加以解決。因此，探尋結構穩定且具有低翻轉勢壘的HfO2基鐵電材料是亟待解決的難題。 (買儀表，賣儀表就上儀表網！ 查產品、看訂單…一站式全搞定！)
中國科學院微電子研究所微電子器件與集成技術重點實驗室劉明院士團隊與物理研究所研究員杜世萱團隊合作，發現了穩定的鐵電三方相Hf(Zr)1+xO2材料結構。這種結構降低了HfO2基鐵電材料中鐵電偶極子的翻轉勢壘。研究通過基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理計算發現，當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)實驗清晰顯現了過量Hf(Zr)原子嵌入在鐵電三方相晶格的晶體結構，證實了理論計算的結果。嵌入的Hf(Zr)原子擴展了晶格，增加了其面內和面外應力，起到了穩定Hf(Zr)1+xO2材料結構和降低其鐵電翻轉勢壘的作用。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)，并在飽和極化下實現了1012次循環的耐久性。這一研究結果為低功耗、低成本、長壽命的存儲器芯片提供了一種有效的解決方案。
研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、中國科學院的支持。近期，相關研究成果發表在《科學家》(Science)上。中國科學院大學的科研人員參與研究。
圖1. 平面鐵電電容器的基本特性及Hf(Zr)1+xO2薄膜的結構表征
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)的第一性原理計算
圖4. 基于Hf(Zr)1+xO2薄膜的鐵電電容器的性能
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