互联网、人工智能等信息技术的快速发展，对存储器的存储密度、访问速度以及操作次数都提出了更高的要求。氧化铪基铁电存储器具有低功耗、高速、高可靠性等优势，被认为是下一代非易失性存储器技术的潜在解决方案。现在普遍研究的正交相（orthorhombic phase，简称“o相”）HfO2基铁电材料由于自身高铁电翻转势垒和“独立翻转”的偶极子翻转模式，使基于该铁电材料的器件具有高矫顽场，进而导致器件工作电压与先进技术节点不兼容、擦写次数受限等问题。这一问题是基于o相HfO2基铁电材料的本征特性，难以通过传统的优化工艺加以解决。因此，寻找一个结构稳定且具有低翻转势垒的HfO2基铁电材料是迫切需要解决的难题。
针对这一问题，微电子器件与集成技术重点实验室刘明院士团队与中国科学院物理所杜世萱研究员团队合作，发现了一种稳定的铁电三方相Hf(Zr)1+xO2材料结构，这种结构降低了HfO2基铁电材料中铁电偶极子的翻转势垒。通过基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算发现，当Hf(Zr)1+xO2材料中，Hf(Zr)与氧的比例大于1.079:2时，三方相的形成能低于铁电o相和单斜相（m相）的形成能。扫描透射电子显微镜（STEM）实验清晰显现了过量Hf(Zr)原子嵌入在铁电三方相晶格的晶体结构，证实了理论计算的结果。嵌入的Hf(Zr)原子扩展了晶格，增加了其面内和面外应力，起到了稳定Hf(Zr)1+xO2材料结构和降低其铁电翻转势垒的作用。基于Hf(Zr)1+xO2薄膜的铁电器件展示了超低矫顽场（~0.65MV/cm）、高剩余极化（Pr）值(22μC/cm2的)、小的饱和极化电场（1.25MV/cm）、和大的击穿电场（4.16MV/cm），并在饱和极化下实现了1012次循环的耐久性。这一研究结果为低功耗、低成本、长寿命的存储器芯片提供了一种有效的解决方案。
该研究成果得到了科技部、国家自然科学基金委、北京市自然科学基金委、中国科学院的支持。成果近期发表在Science期刊上（DOI: 10.1126/science.adf6137），微电子所王渊博士为文章的第一作者，中国科学院大学陶蕾博士为共同第一作者，微电子所刘明院士、罗庆研究员和中国科学院物理所杜世萱研究员为该文章的共同通讯作者。此外，参与本工作的主要研究人员还包括微电子所刘宇工程师和杨阳博士、中国科学院大学Roger Guzman博士和周武研究员等。
文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf6137
图1平面铁电电容器的基本特性及Hf(Zr)1+xO2薄膜的结构表征
图2富含Hf(Zr)原子的菱面体Hf(Zr)1+xO2薄膜的原子尺度STEM分析
图3 基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算
图4基于Hf(Zr)1+xO2薄膜的铁电电容器的性能
科研工作