中科院铁电材料science+1 ！！！

一、【导读】

随着信息技术的快速发展，存储器件的需求越来越高，铁电存储器器件由于其具有高密度、高速度、低功耗等优点，被认为是下一代非挥发性存储器器件的重要发展方向。氧化铪(HfO₂)基铁电材料由于能够集成到硅电子器件中，成为下一代纳米器件的最有前途的候选材料之一。铁电HfO₂在纳米厚度下仍然可以表现出强大的电偶极子，并且与现代互补金属氧化物半导体（CMOS）技术兼容，使得铁电存储器（FeRAM）的实现成为可能。然而，铁电Hf(Zr)O₂（HZO）的高矫顽场(E_c)导致高工作电压，是限制FeRAM在最先进技术中应用的关键问题。通过增加中间态[Hf(Zr)O₂的四方相（t-HZO）]的稳定性可以降低斜方铁电Hf(Zr)O₂（o-HZO）的E_c。稳定的中间t-HZO将降低极化o-HZO的稳定性。然而，这种t-HZO的单侧极化反转剩余极化强度（P_r）仅为o-HZO的一半。与o-HZO不同，r-HZO的偏振切换不仅取决于晶体偏振，还取决于缺陷迁移等外在因素。因此，一种与CMOS兼容且稳定的r-HZO基材料不仅可以从根本上解决铪基铁电优化的困境，而且还可以保留HZO材料的优点。

二、【成果掠影】

近日，中国科学院微电子研究所刘明院士、罗庆研究员以及中科院物理研究所杜世萱研究员带领团队发现了一种新型菱面体铁电材料r-Hf(Zr)_1+xO₂，通过Hf(Zr)_1+xO₂薄膜的特殊结构和插层作用，成功降低了矫顽场，提高了器件的性能和可靠性，Hf(Zr)_1+xO₂铁电薄膜的发现为低成本和长寿命的存储芯片提供了新的制造方法和思路。相关的研究成果以“A stable rhombohedral phase in ferroelectric Hf(Zr)_1+xO₂capacitor with ultralow coercive field”为题发表在science上。

三、【核心创新点】

1. 作者发现了一种新型铁电材料—菱面体铁电Hf(Zr)_1+xO₂，该材料具有超低的矫顽场和超高的耐久性。
2. Hf(Zr)_1+xO₂薄膜中过量的Hf(Zr)原子的插层作扩展了晶格并产生了更大的平面和垂直应力，更有利于稳定铁电性质。

四、【数据概览】

图1 平面金属-铁电-金属（MFM）电容器及Hf(Zr)_1+xO₂薄膜的结构表征。 ©2023AAAS

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

图3 DFT计算预测的铁电Hf(Zr)_1+xO₂。 ©2023AAAS

图4 r-Hf(Zr)_1+xO₂薄膜的铁电性能 ©2023AAAS

五、【成果启示】

综上所述，作者开发了一种r相Hf(Zr)_1+xO₂铁电薄膜。基态r相Hf(Zr)_1+xO₂铁电薄膜解决了o相铁电HfO₂固有的高E_c问题。并且r-Hf(Zr)_1+xO₂铁电薄膜与CMOS兼容。Hf(Zr)_1+xO₂铁电薄膜中过量Hf(Zr)原子的插入，使Hf(Zr)_1+xO₂的晶格膨胀，产生更大的面内和面外应力，更有利于稳定铁电性能。此外，通过在Hf(Zr)_1+xO₂铁电薄膜中嵌入Hf，实现了超低矫顽场（~0.65 MV/cm），降低了r相转换势垒和偶极子引起的宽磁畴壁的扩展。作者所提出的新型r-Hf(Zr)_1+xO₂电容器结构同时实现了高击穿电场（4.16 MV/cm）、高P_r值（22 μC/cm²）、小饱和极化电场（1.25 MV/cm）和良好的耐久性（超过10¹²次循环），为非挥发性存储器器件的设计和制造提供了新的思路和方法。

文献链接：

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

本文由WYH供稿