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微電子所在HfO2基鐵電存儲器研究領域取得進展

稿件來源:重點實驗室 羅慶 張康瑋 發布時間:2020-03-20

  近日,微電子所微電子器件與集成技術重點實驗室劉明院士的科研團隊在HfO2基鐵電存儲器研究領域取得了進展,提出了一種基于Hf0.5Z0.5rO2HZO)材料的鐵電二極管(Fe-diode),并實現了三維集成。 

       鐵電存儲器具有高速、低功耗、高可靠性的優點,是下一代非揮發性存儲器的有力競爭者之一。然而,傳統鐵電材料與標準CMOS工藝兼容性差問題和尺寸微縮難的問題制約著鐵電存儲器的發展。2011年,摻雜HfO2的鐵電材料的問世開啟了鐵電存儲器研究的新時代。HZO材料的鐵電性起源問題是該領域長期爭議的焦點。在本項工作中,微電子所科研團隊利用原子分辨率球差校正透射電鏡,觀察到了Hf/ZrO原子的在晶格中的排列,國際上首次確認了Pca21相的存在,為HfO2鐵電的基礎理論提供了最為直接的證據。 

  不同結構的HfO2基鐵電存儲器(1T1CFeFETFTJ)已相繼問世。1T1C結構的鐵電存儲器是破環性讀取,操作復雜,對疲勞特性要求高;FeFET可實現三維集成,但不能實現隨機訪問;FTJ是一種電阻型存儲器,但由于線性低阻態,用于垂直結構的三維交叉陣列中存在串擾問題。微電子所科研團隊提出了一種新型的HZO基鐵電二極管(Fe-diode)器件,通過極化方向的改變來控制鐵電二極管導通方向。由于界面勢壘的存在,該器件具有高度的非線性(>100),可以克服交叉陣列中的漏電,實現自選通功能。該器件操作速度<20ns,疲勞特性>109,開態電流密度>200A/cm2,實現了垂直尺寸小于20nm的三維集成。 

  上述成果于2020313日以“A highly CMOS compatible hafnia-based ferroelectric diode為題發表在Nature Communications期刊上(DOI:10.1038/s41467-019-13827-6)。微電子所羅慶副研究員和華師大成巖副教授為該文章第一作者,微電子所劉明院士、呂杭炳研究員為共同通訊作者。上述工作得到了國家基金委、科技部、中科院等相關項目的資助。 

  全文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-15159-2 

圖(aHZO鐵電相的原子排列。(b)三維垂直結構的TEM圖。

c)鐵電二級管的典型IV特性曲線。(d)該器件可以實現20ns的操作速度。

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