鐵電隨機訪問存儲器（FeRAM）基于鐵電材料兩個穩(wěn)定的極化狀態(tài)及其電可切換行為來實現(xiàn)二進制信息“1”和“0”的存儲，具有操作速度快、耐用性高和能耗低等優(yōu)點，被廣泛應用于包括醫(yī)療、汽車電子、工業(yè)制造等領域。然而，現(xiàn)有的FeRAM技術面臨著存儲容量提升的技術挑戰(zhàn)（主流商用產品的存儲容量通常只有幾個Mbit）。由于使用鐵電鈣鈦礦氧化物材料，F(xiàn)eRAM存儲單元難以兼容最先進的CMOS工藝節(jié)點，通過器件微縮以提升存儲密度的方法面臨技術瓶頸且成本高昂。鐵電多位存儲技術有望在提升FeRAM存儲密度的同時規(guī)避器件尺寸微縮的技術瓶頸，其概念是利用鐵電材料多個極化態(tài)來進行多位二進制信息的存儲。雖然以往的工作已經成功在鐵電器件中實現(xiàn)多個極化態(tài)的確定性調控，但這一策略在電路層面的可行性尚未得到證實，以及其與商用FeRAM的兼容性也不明確。

在傳統(tǒng)的FeRAM中，鐵電電容器極化態(tài)的讀取通過基于翻轉電荷的感測技術來實現(xiàn)，并映射到二進制信息的“1”或“0”。在這種操作原則下，n位信息的讀取需要（2n-1）個感測放大器或（2n-1）步感測操作，這不可避免地會增加硬件開銷和信號延遲。對于所有的多位存儲技術，硬件開銷和信號延遲是性能優(yōu)化方面的兩個主要權衡因素。

針對上述問題，中山大學材料學院、廣東省磁電物性分析與器件重點實驗室陳偉津教授課題組提出一種利用鐵電電容器的多步極化翻轉特性進行多位信息存取的策略?；诜D電流感測技術，該策略僅需要單個感測放大器和單次操作就能實現(xiàn)不同鐵電疇極化態(tài)的精準讀取，并且具有納秒級的操作速度，為商用鐵電存儲器產品的存儲密度提升及存算一體操作的實現(xiàn)提供了有效途徑。

圖1 具有多疇結構的鐵電器件極化翻轉動力學

研究表明，當存在多種類型的鐵電疇時，鐵電薄膜在電脈沖驅動下的極化翻轉可產生具有多峰位特征的瞬態(tài)翻轉電流響應（圖1a），并受電脈沖上升沿調控。鐵電薄膜的多疇結構可通過缺陷工程引入晶體結構的不均勻來實現(xiàn)。結合超快脈沖測試及基于成核受限翻轉模型的極化翻轉動力學模擬，研究人員指出缺陷物會導致部分鐵電疇的極化翻轉活化場增加和內部電場分布展寬（圖1b）。

圖2 基于鐵電多位存儲器件的信息存取及存算一體操作

基于鐵電電容器的多步極化翻轉特性，研究人員在電路層面展示了多位二進制信息存取及以單層感知機為例的存算一體操作方案（圖2a-c）。采用晶體管-電容器（1T-1C）電路架構及翻轉電流感測技術可將4種鐵電疇極化配置分別轉換為2位二進制數(shù)字信號（11）、（10）、（01）和（00），等效于存儲密度的翻倍，如圖2d所示。此外，通過與CMOS神經元電路結合可實現(xiàn)基于鐵電多位存儲器的存算一體操作和圖案分類功能（圖2e）。

該成果以“Pulse-Modulated Polarization Switching Dynamics in Ferroelectric Thin Film for Circuit-Level Implementation of Multi-Bit FeRAM Cell”為題發(fā)表在國際知名期刊《Advanced Functional Materials》上。該工作由中山大學獨立完成，物理學院博士研究生唐振洵為第一作者，材料學院、廣東省磁電物性分析與器件重點實驗室陳偉津教授與物理學院、廣東省磁電物性分析與器件重點實驗室鄭躍教授為論文通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金委、廣東省磁電物性分析與器件重點實驗室、廣東省磁電物性基礎學科研究中心以及光電材料與技術國家重點實驗室的大力支持。