编辑推荐 | 铪基氧化物铁电特性及其应用的研究现状与展望

来源:中科院半导体所发布时间:2023-05-136388浏览

来源：半导体学报
作者：半导体学报

文章信息：

Ferroelectricity of hafnium oxide-based materials: Current status and future prospects from physical mechanisms to device applications

Wanwang Yang, Chenxi Yu, Haolin Li, Mengqi Fan, Xujin Song, Haili Ma, Zheng Zhou, Pengying Chang, Peng Huang, Fei Liu, Xiaoyan Liu, Jinfeng Kang

J. Semicond, 2023, 44(5): 053101.

doi: 10.1088/1674-4926/44/5/053101

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内容简介

铪基氧化物铁电薄膜拥有稳定、良好、独特的铁电极化与微缩特性，且与集成电路技术领域主流CMOS工艺兼容，因此关于铪基氧化物铁电薄膜与器件的理论与技术研究成为当前微电子集成电路技术领域与凝聚态固体物理研究领域前沿热门研究问题。尽管性能优异的铁电薄膜与器件已经在大量的实验研究报告中展示，关于其铁电性的物理起源及其模型表征的理论与方法已有比较深入的阐述，但理论及模型预测与实验结果之间存在许多不一致乃至矛盾之处，因此，关于铪基氧化物铁电性的本征的微观物理起源与机制仍在持续探索研究阶段，铪基氧化物铁电器件特性的模型表征与优化设计缺少统一系统的理论方法与指导，这成为当前制约铪基氧化物铁电器件与电路技术发展应用的瓶颈问题，需要开展进一步深入系统的理论与实验研究予以解决。

图1.氧空位引起的极化和极化翻转路径。

本综述论文对近年来关于铪基氧化物铁电性及其器件应用的研究工作进展情况及其面临的挑战和可能解决途径，进行了系统性的概述、总结。主要包括：

1）铪基氧化物器件中观测到的铁电特性及其相关的影响因素；2）关于铪基氧化物铁电性的物理起源探索及其相关理论计算方法研究方面的进展；3）铪基氧化物铁电薄膜和器件的宏观、微观特性表征技术与研究方法；4）基于铪基氧化物铁电存储器件特性发展的物理模型与模拟方法；5）铁电存储器件性能优化方法探讨与分析；以及6）铁电器件在新型存储与计算系统中的可能应用场景等。

图2. 铁电器件在存储金字塔中的位置。

最后，在未来研究展望中，基于作者及其合作者在合理的物理假设前提下，利用系统化的微观电镜表征技术和理论计算相结合的手段，对铪基氧化物铁电特性物理起源研究所进行的新的理论计算与实验表征研究中取得的最新研究进展，对进一步拟开展的铪基氧化物铁电特性物理机制及其优化设计理论方法等问题进行了展望与评述。本综述将为铪基氧化物铁电特性理论的研究探索、器件特性调控与优化方法理论基础的建立，为推动基于新型铁电、忆阻等特性的新原理、新功能器件的设计与应用，提供有益的参考。

该文章以题为“Ferroelectricity of hafnium oxide-based materials: Current status and future prospects from physical mechanisms to device applications”发表在Journal of Semiconductors上。

作者简介

通讯作者

康晋锋，北京大学集成电路学院教授, 《半导体学报》期刊与IEEE Transactions on Electron Devices编委、IEEE EDS Technology Computer Aided Design Committee委员。

1984年毕业于大连工学院物理系获理学学士；分别于 1992年和1995年获北京大学理学硕士和理学博士学位；1996-1997年，在北京大学微电子所从事博士后研究工作；1997开始在北京大学计算机系任副教授，2001年8月任教授。2002-2003年受邀以访问教授身份在新加坡国立大学半导体纳米器件实验室（SNDL）从事合作研究一年。先后在氧化物高温超导与巨磁电阻材料与器件应用、新型高K/金属栅与CMOS集成技术、新型氧化物阻变（RRAM）与铁电（FEFET）性能器件技术、新型类脑与存算融合器件与人工神经网络系统技术等领域开展研究。

在本领域核心期刊和学术会议，包括Nature Nanotechnology、Nature Electronics、Advanced Materials、Nano Lett.、ACS Nano、IEEE EDL、IEEE TED、Appl. Phys. Lett.等期刊以及VLSI、IEDM等学术会议已发表论文300余篇，累计引用超过10000余次，H因子48。已申请中国发明专利100余项，60余项已获授权；申请国际发明专利10余项，5项已获授权。先后受邀在包括本领域旗舰会议国际电子器件会议（IEDM）以及欧洲固态电子器件会议（ESSDERC）、美国材料学会年会（MRS）、固态电子器件与材料会议（SSDM）等国际学术会议，比利时微电子研究中心(IMEC)、美国应用材料公司(AMAT)、IBM、新加坡数据存储研究所(DSI)、新竹台湾工研院（ITRI）等研究机构，做特邀报告30余次。主持承担了国家重点研发计划项目课题、国家863计划重大专项课题、国家973项目课题、国家自然科学基金项目等研究任务。曾先后获得国家科技进步二等奖（2008）、教育部科技进步一等奖（2007）、北京市技术发明一等奖（2007）、教育部自然科学二等奖（2019）等奖励。

目前主要的研究领域包括智能化信息获取存储与处理、新型氧化物材料与器件集成应用、新型类脑与存算融合器件与系统集成、人工智能芯片技术。

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：jos@semi.ac.cn，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！