0.6伏运行、1万亿次循环驱动……为解决速度与寿命难题提供线索
通过铁电体界面设计提升性能……有望实现低功耗动态随机存取存储器型存储器
首尔大学研究团队开发出一种用于下一代存储器的铁电器件，可在低电压下快速运行，并能承受1万亿次循环操作。这项技术改进了传统技术的局限——提高存储器运行速度会缩短其寿命，预计将用于开发低功耗的下一代动态随机存取存储器。
首尔大学工学院4日表示，材料科学与工程系教授 Park Minhyeok 的研究团队与汉阳大学、浦项加速器实验室及三星电子的研究人员合作，开发出兼具超低电压、高速度和高耐久性的铁电电容器。研究成果已发表于国际学术期刊《自然·通讯》。
首尔大学教授Park Minhyuk研究团队开发的下一代低功耗存储器用铁电器件结构及工作原理示意图。从左至右依次展示了通过设计电极与铁电体之间的界面来减少电压损耗、在0.6伏低电压下实现极化反转，以及应用于类似动态随机存取存储器（DRAM）的下一代存储器结构的可能性。研究团队供图
View original image通过电极与界面设计，改善速度与寿命的两难
动态随机存取存储器是广泛应用于电脑、智能手机和人工智能服务器等领域的代表性存储器。它通过在电容器中存储电荷来记录信息，但电荷会随时间流失，因此需要定期补充电荷，这一过程称为“刷新”。刷新会消耗电力。
铁电存储器则利用物质内部的电学取向——“极化”来存储信息。其极化状态在断电后仍能保持，因此可以减少刷新造成的功耗。不过，若要快速写入信息，就需要较高电压；而提高电压又可能缩短器件寿命。
研究团队通过精细设计铁电体与电极相接的边界面——“界面”，改善了这一问题。团队采用了氧化铪锆作为铁电材料，该材料与现有半导体制造工艺具有较高的兼容性。
研究团队通过调整氮化钛电极的晶体取向和表面特性，抑制了界面处的氧化。由此减少了电压损耗，并使铁电体内部的极化转换更加均匀。
0.6伏驱动、1万亿次循环测试……展现动态随机存取存储器型存储器的应用潜力
研究团队成功在厚度为5纳米的铁电电容器中，以0.6伏的低电压实现了极化转换。极化转换一半所需的时间，在0.6伏时约为42纳秒，在1伏时约为8.1纳秒。
研究团队还验证了器件的循环驱动性能。在两种电压条件下，经过1万亿次循环驱动后均未发生绝缘击穿，并且仍能区分不同的极化状态。不过，若以极化性能下降幅度低于20%为标准，器件在0.6伏下可承受6000亿次循环，在1伏下可承受1万亿次循环。
研究团队表示，与现有铁电器件相比，该器件同时实现了较低的驱动电压、较快的运行速度和较高的耐久性，性能组合达到世界领先水平。
研究团队合影。（从左至右）首尔大学教授 Park Minhyeok（通讯作者）、汉阳大学教授 Kim Hojun（共同通讯作者）、汉阳大学教授 Kwon Daewoong（共同通讯作者）、首尔大学半导体共同研究所博士后研究员 Park Geunhyeong（第一作者）。首尔大学工学院供图。
View original image研究团队还展示了器件的小型化潜力。他们发现，电容器面积越小，极化转换速度越快。据此推测，如果将器件缩小到实际动态随机存取存储器所采用的尺寸，就有望实现纳秒级的快速极化转换。不过，这一结果是基于实验数据作出的推测，并非已在实际超小型存储器件中验证的性能。
研究团队还提出了一种共板式铁电随机存取存储器，其结构与动态随机存取存储器相同，由一个晶体管和一个电容器组成。基于实际测得的器件特性进行电路模拟后，研究团队确认，即使存储电荷减少，仍有望利用剩余极化区分信息。
这项研究的意义在于，同时改善了铁电存储器的低电压、高速运行和耐久性，并展示了将其应用于类似现有动态随机存取存储器的存储器结构的可能性。不过，目前尚未进入实际存储器芯片制造阶段，高密度电路实现能力和数据长期保持特性等仍需进一步验证。
首尔大学教授 Park Minhyeok 表示：“这项研究通过电极与界面设计，同时实现了低电压、快速运行和长寿命三项特性，并为铁电存储器长期面临的核心难题——速度与寿命之间的矛盾，提出了解决思路。我们期待，本研究提出的界面设计和极化转换原理能够推动低功耗、高密度存储技术的发展。”
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