Nature Materials/Communications：非易失性铁电畴壁存储器和晶体管，有望实现高密度存算一体化

铁电材料由于其自发极化、电场调控和快速响应的特性，一直是高速非易失性存储器方案的有力角逐者。事实上，铁电存储器很早就被成功开发并应用。传统的铁电存储器，由于其基于电荷的工作原理，读取操作有可能改变存储单元的数据状态。为了恢复到初始的数据状态，每一次读取操作之后必须伴随一个预充过程。此外，为了保证数据存储的可靠性，每个存储单元必须要有足够的面积来保证可靠的电容信号。这些要求严重制约了铁电存储器的存取速度和容量，也是目前铁电存储器很少见诸于主流应用的重要原因。随着近年来铁电畴壁导电性的发现，给不温不火的铁电器件注入了一针强心剂。鉴于其高度的（形成位点、数量和形状）可控性和灵活性，铁电畴壁颠覆了传统铁电材料的应用模式，赋予了铁电材料全新的功能和应用。尤其是在当下，半导体器件的进化速度已经严重滞后于未来万物互联和人工智能对其高性能和低功耗的要求，基于铁电畴壁的新型半导体器件的研发被寄予厚望。近期，复旦大学微电子学院江安全课题组，联合国内外多个研究团队，在新型铁电畴壁器件方面取得重大进展。研究人员利用铁电畴壁在材料内部和界面处的稳定性差异，成功在铌酸锂单晶薄膜上实现了非易失性存储器和单极性选择管的无缝衔接，为非易失性铁电存储器的高密度集成提供了一个高效的解决方案。另外，研究人员在此基础上，进一步利用铁电畴壁的高度可控性，同样是在铌酸锂单晶薄膜上实现了非易失性场效应晶体管。在同种材料上，利用类似工艺，同时实现了非易失性存储器和晶体管的功能，这为突破冯诺依曼计算机架构，实现更高性能的存算一体化架构提供了解决方案。这些研究成果（Ferroelectric domain wall memory with embedded selector realized in LiNbO3 single crystals integrated on Si wafers）和（Nonvolatile ferroelectric field-effect transistors），分别于2020年06月15日和2020年06月04日，发表于Nature Materials（https://doi.org/10.1038/s41563-020-0702-z）和Nature Communications（https://doi.org/10.1038/s41467-020-16623-9）。

铁电畴壁的导电性使铁电材料具备了开发电阻型非易失性存储器的潜力。通过控制导电畴壁的形成和消失，就可以实现数据的高速写入和擦除。通过对铁电材料的导电性测量，就可以实现数据的高速读取。此外，铁电畴壁纳米级的空间尺寸，为高密度集成提供了极大的便利。高速大容量非易失性存储器的实现，可以说是近在咫尺。然而，作为高密度集成的最佳方案，三维交叉阵列结构（见图5），通常需要同时集成异质选择管来抑制相邻存储单元之间的漏电和串扰电流。这一方面加大了集成工艺的复杂程度，另一方面大幅降低了集成密度。为了解决这一问题，江安全团队开发了一种全新的工艺，在同一种材料上实现了非易失性存储器和选择管的双重功能，可以大幅降低集成难度，同时提高集成密度。研究人员利用离子注入剥离法和低温键合技术在硅片表面形成了一层单晶铌酸锂（LNO）铁电薄膜。然后利用光刻技术在薄膜上形成了平台状的存储单元。单个存储单元的截面结构示意图和工作原理如图1a所示，其AFM表面形貌如图1b所示。整个单晶薄膜具有向左的初始极化状态，而平台处的极化状态可由外加电场控制。根据周围的材料的分布状态，平台处的极化状态可以分为三种情况：一，在金属电极和平台侧面的接触界面（“i”）上，由于界面缺陷的作用，此处形成的极化状态不稳定。一旦撤去外加电场，其极化方向就会恢复到初始状态。二，在平台内部（“b”），极化状态也可由外加电场控制，而且在电场撤离后可以稳定存在。三，金属电极和平台边缘之间不用完全接触，它们之间的空隙（“g”）处也存在与一类似的不稳定极化状态。在外加电场的调控下，会在左右金属电极之间形成如图1a所示的稳定和不稳定铁电畴壁。“b”处稳定的铁电畴壁可以实现数据的非易失性存储。“i”和“g”处不稳定的铁电畴壁，由于其单向导通的特性，作用类似于二极管，可以同时实现对存储单元的选择和串扰电流的抑制。研究人员利用基于AFM的压电响应力显微镜技术（PFM）对单个存储单元在不同写入状态下的电畴分布进行了表征。结果（图1c）证实，“b”处的电畴可以稳定存在，而“i”处的电畴随电场的撤离而恢复到初始状态。此外，研究人员还发现（图2a-c），存储单元开启电压（V_on）可通过控制“g”区域的空间尺寸来调节，并且它们之间存在线性正比关系。最后研究人员对这种非易失性铁电畴壁存储单元进行了运行稳定性测试（图2d），发现其开关电流比可达10⁶，同时其稳定读写次数超过10¹⁰。

紧接着，江安全团队利用类似的工艺过程，同样在单晶铌酸锂铁电薄膜上开发出了非易失性的场效应晶体管。场效应晶体管作为逻辑电路最重要的组成部件，其特征尺寸的小型化一直是过去几十年逻辑电路性能提升的主要推动力。然而，如今半导体器件的特征尺寸正逐步逼近物理极限，

更为严峻的是玻尔兹曼极限限制了单个晶体管所能实现的最低功耗（亚阈值摆幅必须大于60 mV/dec），传统逻辑电路在追求更高集成密度的同时，必然会面临整体功耗爆发式增长的挑战。非易失性铁电畴壁场效应晶体管，由于其不受玻尔兹曼极限的限制、极快的开/关响应以及非易失性的记忆能力，有望助力逻辑电路摆脱当前的困境。基于单晶铌酸锂薄膜的非易失性场效应晶体管的工作原理如图3a所示。通过漏极（“D”）、栅极（“G”）和源极（“S”）之间电场的控制，可以实现导电铁电畴壁的局部注入和擦除，从而实现类似于传统场效应晶体管的逻辑功能。如图3b和c所示，研究人员利用PFM对单个晶体管在不同工作状态下的电畴分布进行了表征，论证了图3a所示原理的实际可行性，即“D-G”和“D-S”通道的开启/关闭可由“D”、“G”和“S”之间的电场控制。图4显示了单个晶体管在不同触发模式下的开关响应。在栅极电压（V_g）和漏极电压（V_d）触发模式下都实现了瞬间响应（零亚阈值摆幅）。甚至在漏极电压（V_d）触发模式下（图4b）还表现出了非易失性的记忆功能。这些特点为逻辑电路在尺寸红利耗尽之后进一步的提速降耗提供了解决方案。

通过以上的实验论证，研究人员展示了一种基于铁电畴壁导电性的非易失性存储器和场效应晶体管的设计和高密度集成（图5）方案。更加难能可贵的是，这两种功能器件可以在同一种材料上，利用类似工艺实现。它们之间的无缝衔接，有望突破冯诺依曼计算机架构由于存算分离导致的性能和功耗瓶颈，为更高性能的存算一体化架构的实现扫清了技术障碍。

该工作中的AFM形貌表征和PFM测试是在Bruker公司的Dimension ICON原子力显微镜系统上完成的。Dimension ICON系统是一款性能强大的综合性实验平台，集形貌、力学、电学、磁学、热学、电化学和纳米操纵等众多微纳表征技术与一体。Dimension Icon系统是世界上应用最广泛的大样品台原子力显微镜。上至300 mm直径的超大样品台设计，可以满足各类尺寸样品的测试需求。Bruker独创的峰值力轻敲模式（PeakForce Tapping）极大地简化了原子力显微镜的操作难度，并通过直接、精确的样品-针尖相互作用力的控制，在提高分辨率的同时可以最大限度地提高探针使用寿命和减小样品磨损。此外，Bruker于近期发布的数据立方（DataCube）功能更是令Dimension ICON系统具备了高通量大数据的采集和分析能力，为科研的进步和发展再添一把利器。

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https://www.nature.com/articles/s41563-020-0702-z

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16623-9

Bruker Dimension Icon原子力显微镜介绍：https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/atomic-force-microscopes/dimension-icon/overview.html