隨著人工智能、物聯網和大數據等新興信息技術的快速發展與普及，全球數據量呈現爆炸式增長，迫切需要更高容量、更高可靠性的非易失性存儲器。傳統信息存儲技術在面對海量數據處理時已經接近其物理極限，難以滿足日益增長的數據存儲需求。氧化鉿(HfO?)基鐵電存儲器由于與CMOS工藝完全兼容、超強尺寸微縮及低功耗等特性，已成為未來最具市場競爭力的新型存儲器之一。在過去十年中，研究人員已開發出包括鐵電隨機存取存儲器、鐵電場效應晶體管和鐵電隧道結等非易失性存儲器件，為后摩爾時代新型存儲器的產業化應用提供了新的可能。

然而，在數據反復的寫入和擦除過程中，HfO?基鐵電存儲器頻繁出現的薄膜疲勞失效現象，已成為阻礙其大規模產業化應用的“攔路虎”。要攻克這一難題，實現高耐久性的鐵電存儲器，則必須深入探究鐵電存儲器件在信息擦寫過程中鐵電極化翻轉的物理過程。其中，厘清極化翻轉過程中漏電現象產生的物理機制，及其對擊穿型疲勞失效造成的影響，顯得尤為重要。如何建立微觀極化翻轉過程與宏觀電學性能失效之間的關聯，并大幅提升鐵電薄膜材料的抗疲勞性能，是擺在科研人員面前的一項極具挑戰性難題。近日，西安電子科技大學周益春教授團隊在這一研究領域取得重要進展。研究團隊借助層狀異質結構的Hf?.?Zr?.?O?-ZrO?超晶格設計，對微觀極化翻轉過程中的電荷注入現象與宏觀疲勞失效之間的關聯機理進行了深入剖析與闡釋。基于此，成功制備出高耐久性(＞1012次電場循環)鐵電薄膜材料，并同時具備低矯頑場 (2Ec≈1.7 MV/cm)和快速極化翻轉速度。這一成果為解決HfO?基鐵電存儲器疲勞失效問題奠定了理論基礎，也為相關領域研究提供了新的解決思路。

該研究成果以“Developing HZO-Based Superlattices to Enhance Fatigue-Resistance by Charge Injection Suppression” (DOI:10.1002/adfm.202501470)為題最近在線發表在國際材料領域著名學術期刊Advanced Functional Materials期刊上(2024年影響因子為18.5)。西安電子科技大學先進材料與納米科技學院博士生賈世杰、副教授廖佳佳為論文共同第一作者，周益春教授、廖佳佳副教授、姜杰副教授(湘潭大學)為共同通訊作者，研究工作依托西安電子科技大學先進材料與納米科技學院、陜西省空天高電子軌道材料與防護技術重點實驗室等平臺，研究工作受到國家自然科學基金、國家重點研發計劃等基金支持。

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202501470

研究團隊制備并對比了如圖1(a)三種不同異質層狀HZO基鐵電薄膜結構，采用壓電力顯微鏡對電疇翻轉特性進行表征，并結合如圖2(a-c)電滯回線結果分析表明HZO-ZrO?鐵電薄膜具有優異的鐵電極化特性和較低的矯頑電壓(圖2(d))。其在飽和電壓下的耐久性可達1012次循環，相對于HZO薄膜耐久性提升3個數量級以上。隨著研究的深入，團隊發現隨著疲勞電場循環次數的增加，HZO-ZrO?鐵電薄膜材料漏電機制逐漸趨于陷阱輔助隧穿模型(圖2(g-i)),這證明了疲勞循環過程中帶電缺陷的產生是誘發漏電流和導致擊穿型疲勞失效的根本原因。并且該材料在不同疲勞循環次數下，均能保持相對較低的漏電流密度(圖2(f))。

圖1.三種結構的Hf?.?Zr?.?O?基薄膜電容器設計示意圖、GIXRD圖譜、TEM和PFM測試圖

圖2.三種結構Hf?.?Zr?.?O?基薄膜電滯回線、耐久性、漏電流及漏電流陷阱輔助隧穿擬合圖

為深入剖析HZO-ZrO?鐵電薄膜材料極化翻轉過程中的漏電流產生機制，以及明確該機制對材料疲勞失效的影響。研究團隊展開了進一步研究。結果表明，HZO-ZrO?鐵電薄膜材料的極化翻轉速度大幅提升(圖3)，并且退極化場強度顯著降低(圖4)。這兩大特性可有效縮減極化翻轉過程中電荷注入的持續時長，并減弱電荷注入強度，進而抑制由電荷注入誘發的擊穿型疲勞失效。此外，本文提出一種半定量方法，用以評估極化翻轉過程中的電荷注入強度。研究發現，極化翻轉過程中HZO-ZrO?鐵電薄膜材料電荷注入強度極低，這也造就了該材料的高耐久性能。

圖3.三種結構Hf?.?Zr?.?O?基薄膜極化翻轉速度及Lorenz翻轉動力學擬合結果圖

圖4.三種結構Hf?.?Zr?.?O?基薄膜退極化場、電荷注入強度及電荷注入原理示意圖

本文來自公眾號“材料科學與工程”，感謝論文作者團隊支持。