西安電子科技大學(xué)周益春教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Functional Materials發(fā)表文章

作者：集小微 04-16 17:24

來源：西安電子科技大學(xué) #西安電子科技大學(xué)#

2275

近日，西安電子科技大學(xué)先進(jìn)材料與納米科技學(xué)院周益春教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際材料領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊Advanced Functional Materials期刊上發(fā)布了以“Developing HZO-Based Superlattices to Enhance Fatigue-Resistance by Charge Injection Suppression”為題的研究成果。

隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新興信息技術(shù)的快速發(fā)展與普及，全球數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，迫切需要更高容量、更高可靠性的非易失性存儲(chǔ)器。材料院周益春教授團(tuán)隊(duì)以“Developing HZO-Based Superlattices to Enhance Fatigue-Resistance by Charge Injection Suppression”(DOI:10.1002/adfm.202501470)為題，在國(guó)際材料領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊Advanced Functional Materials上發(fā)布了線上研究成果。材料院博士生賈世杰、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，湘潭大學(xué)姜杰副教授為共同通訊作者。研究工作依托西電材料院、陜西省空天高電子軌道材料與防護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等平臺(tái)，研究工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等基金支持。

傳統(tǒng)信息存儲(chǔ)技術(shù)在面對(duì)海量數(shù)據(jù)處理時(shí)已經(jīng)接近其物理極限，難以滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。氧化鉿(HfO2)基鐵電存儲(chǔ)器由于與CMOS工藝完全兼容、超強(qiáng)尺寸微縮及低功耗等特性，已成為未來最具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的新型存儲(chǔ)器之一。在過去十年中，研究人員已開發(fā)出包括鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管和鐵電隧道結(jié)等非易失性存儲(chǔ)器件，為后摩爾時(shí)代新型存儲(chǔ)器的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了新的可能。然而，在數(shù)據(jù)反復(fù)的寫入和擦除過程中，HfO2基鐵電存儲(chǔ)器頻繁出現(xiàn)的薄膜疲勞失效現(xiàn)象，已成為阻礙其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的“攔路虎”。要攻克這一難題，實(shí)現(xiàn)高耐久性的鐵電存儲(chǔ)器，則必須深入探究鐵電存儲(chǔ)器件在信息擦寫過程中鐵電極化翻轉(zhuǎn)的物理過程。其中，厘清極化翻轉(zhuǎn)過程中漏電現(xiàn)象產(chǎn)生的物理機(jī)制，及其對(duì)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(zhuǎn)過程與宏觀電學(xué)性能失效之間的關(guān)聯(lián)，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(xiàng)極具挑戰(zhàn)性難題。周益春教授研究團(tuán)隊(duì)借助層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Hf0.5Zr0.5O2-ZrO2超晶格設(shè)計(jì)，對(duì)微觀極化翻轉(zhuǎn)過程中的電荷注入現(xiàn)象與宏觀疲勞失效之間的關(guān)聯(lián)機(jī)理進(jìn)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(chǎng)循環(huán))鐵電薄膜材料，并同時(shí)具備低矯頑場(chǎng)(2Ec≈1.7 MV/cm)和快速極化翻轉(zhuǎn)速度。這一成果為解決HfO2基鐵電存儲(chǔ)器疲勞失效問題奠定了理論基礎(chǔ)，也為相關(guān)領(lǐng)域研究提供了新的解決思路。

研究團(tuán)隊(duì)制備并對(duì)比了如圖1(a)三種不同異質(zhì)層狀HZO基鐵電薄膜結(jié)構(gòu)，采用壓電力顯微鏡對(duì)電疇翻轉(zhuǎn)特性進(jìn)行表征，并結(jié)合如圖2(a-c)電滯回線結(jié)果分析表明HZO-ZrO2鐵電薄膜具有優(yōu)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(dá)1012次循環(huán)，相對(duì)于HZO薄膜耐久性提升3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。隨著研究的深入，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)隨著疲勞電場(chǎng)循環(huán)次數(shù)的增加，HZO-ZrO2鐵電薄膜材料漏電機(jī)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(huán)過程中帶電缺陷的產(chǎn)生是誘發(fā)漏電流和導(dǎo)致?lián)舸┬推谑У母驹颉２⑶以摬牧显诓煌谘h(huán)次數(shù)下，均能保持相對(duì)較低的漏電流密度(圖2(f))。

圖1.三種結(jié)構(gòu)的Hf0.5Zr0.5O2基薄膜電容器設(shè)計(jì)示意圖、GIXRD圖譜、TEM和PFM測(cè)試圖

圖2.三種結(jié)構(gòu)Hf0.5Zr0.5O2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-ZrO2鐵電薄膜材料極化翻轉(zhuǎn)過程中的漏電流產(chǎn)生機(jī)制，以及明確該機(jī)制對(duì)材料疲勞失效的影響。研究團(tuán)隊(duì)展開了進(jìn)一步研究。結(jié)果表明，HZO-ZrO2鐵電薄膜材料的極化翻轉(zhuǎn)速度大幅提升(圖3)，并且退極化場(chǎng)強(qiáng)度顯著降低(圖4)。這兩大特性可有效縮減極化翻轉(zhuǎn)過程中電荷注入的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，并減弱電荷注入強(qiáng)度，進(jìn)而抑制由電荷注入誘發(fā)的擊穿型疲勞失效。此外，本文提出一種半定量方法，用以評(píng)估極化翻轉(zhuǎn)過程中的電荷注入強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)，極化翻轉(zhuǎn)過程中HZO-ZrO2鐵電薄膜材料電荷注入強(qiáng)度極低，這也造就了該材料的高耐久性能。