中科院鐵電材料science+1 ！！！

一、【導讀】

隨著信息技術的快速發展，存儲器件的需求越來越高，鐵電存儲器器件由于其具有高密度、高速度、低功耗等優點，被認為是下一代非揮發性存儲器器件的重要發展方向。氧化鉿(HfO₂)基鐵電材料由于能夠集成到硅電子器件中，成為下一代納米器件的最有前途的候選材料之一。鐵電HfO₂在納米厚度下仍然可以表現出強大的電偶極子，并且與現代互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術兼容，使得鐵電存儲器（FeRAM）的實現成為可能。然而，鐵電Hf(Zr)O₂（HZO）的高矯頑場(E_c)導致高工作電壓，是限制FeRAM在最先進技術中應用的關鍵問題。通過增加中間態[Hf(Zr)O₂的四方相（t-HZO）]的穩定性可以降低斜方鐵電Hf(Zr)O₂（o-HZO）的E_c。穩定的中間t-HZO將降低極化o-HZO的穩定性。然而，這種t-HZO的單側極化反轉剩余極化強度（P_r）僅為o-HZO的一半。與o-HZO不同，r-HZO的偏振切換不僅取決于晶體偏振，還取決于缺陷遷移等外在因素。因此，一種與CMOS兼容且穩定的r-HZO基材料不僅可以從根本上解決鉿基鐵電優化的困境，而且還可以保留HZO材料的優點。

二、【成果掠影】

近日，中國科學院微電子研究所劉明院士、羅慶研究員以及中科院物理研究所杜世萱研究員帶領團隊發現了一種新型菱面體鐵電材料r-Hf(Zr)_1+xO₂，通過Hf(Zr)_1+xO₂薄膜的特殊結構和插層作用，成功降低了矯頑場，提高了器件的性能和可靠性，Hf(Zr)_1+xO₂鐵電薄膜的發現為低成本和長壽命的存儲芯片提供了新的制造方法和思路。相關的研究成果以“A stable rhombohedral phase in ferroelectric Hf(Zr)_1+xO₂ capacitor with ultralow coercive field”為題發表在science上。

三、【核心創新點】

1. 作者發現了一種新型鐵電材料—菱面體鐵電Hf(Zr)_1+xO₂，該材料具有超低的矯頑場和超高的耐久性。
2. Hf(Zr)_1+xO₂薄膜中過量的Hf(Zr)原子的插層作擴展了晶格并產生了更大的平面和垂直應力，更有利于穩定鐵電性質。

四、【數據概覽】

圖1 ?平面金屬-鐵電-金屬（MFM）電容器及Hf(Zr)_1+xO₂薄膜的結構表征。 ??2023 AAAS

圖2? 菱形相Hf(Zr)_1+xO₂的原子尺度STEM分析? ?2023 AAAS

圖3? DFT計算預測的鐵電Hf(Zr)_1+xO₂。? ?2023 AAAS

圖4? r-Hf(Zr)_1+xO₂薄膜的鐵電性能 ???2023 AAAS

五、【成果啟示】

綜上所述，作者開發了一種r相Hf(Zr)_1+xO₂鐵電薄膜。基態r相Hf(Zr)_1+xO₂鐵電薄膜解決了o相鐵電HfO₂固有的高E_c問題。并且r-Hf(Zr)_1+xO₂鐵電薄膜與CMOS兼容。Hf(Zr)_1+xO₂鐵電薄膜中過量Hf(Zr)原子的插入，使Hf(Zr)_1+xO₂的晶格膨脹，產生更大的面內和面外應力，更有利于穩定鐵電性能。此外，通過在Hf(Zr)_1+xO₂鐵電薄膜中嵌入Hf，實現了超低矯頑場（~0.65 MV/cm），降低了r相轉換勢壘和偶極子引起的寬磁疇壁的擴展。作者所提出的新型r-Hf(Zr)_1+xO₂電容器結構同時實現了高擊穿電場（4.16 MV/cm）、高P_r值（22 μC/cm²）、小飽和極化電場（1.25 MV/cm）和良好的耐久性（超過10¹²次循環），為非揮發性存儲器器件的設計和制造提供了新的思路和方法。

文獻鏈接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adf6137

本文由WYH供稿