中科院微电子所罗庆课题组AEM：锗晶圆集成HfO2基铁电隧道结存储器中非对称退极化现象的优化

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论文信息

论文题目：Enhanced Electro-Resistance and Tunable Asymmetric Depolarization Behavior in Hf_0.5Zr_0.5O₂ Ferroelectric Tunnel Junction by Bottom Oxide Interfacial Layer

作者列表：Shuxian Lyu, Xiao Long,* Yang Yang, Wei Wei, Yuanxiang Chen, Hong Xie, Bowen Nie,Boping Wang, Yuan Wang, Pengfei Jiang, Tiancheng Gong, Yan Wang, and Qing Luo*

DOI：10.1002/aelm.202400466

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202400466

研究背景

HfO₂基铁电隧道结（Ferroelectric Tunnel Junctions, FTJs）作为一种卓越的非易失性存储器件，展现出超高的编程速度、低结构复杂度以及与CMOS的良好兼容性等显著优势。其电场驱动的极化翻转和低漏电流特性，使FTJs在构建超低功耗、超高集成度的人工神经网络（Artificial Neural Network, ANN）方面具有巨大的潜力。在FTJs的器件优化工艺中，通常通过引入底部氧化物插层（bottom interfacial layers, b-ILs）来提升存储窗口并增强循环耐久性。然而，这一工艺可能导致非对称退极化特性，给对器件非易失性有较高要求的应用场景带来不利影响。近期研究表明，选择适当的b-ILs可以在保证足够存储窗口的同时，最大限度地消除非对称极化现象。

研究内容

本研究采用原子层沉积技术（Atomic Layer Deposition, ALD），将不同类型的b-IL分别集成到锗晶圆上，充分利用锗的高迁移率和洁净界面等优点，制备出性能优异且稳定的HfO₂基铁电薄膜。通过对比P-V电滞回线，探讨了插层种类及厚度对剩余极化强度及矫顽场的影响。综合隧道电子传输、C-V等特性，本文指出b-ILs对剩余极化和非对称界面势垒的综合影响是调制存储窗口和退极化特性的关键。研究发现，TiO₂ ILs通过优化印记电场（Imprint field）的作用，有效缓解FTJ的非对称退极化现象，从而增强FTJs的非易失性，并展现出电导连续变化的神经突触行为。这一优化工艺已成功应用于合作方开发的离子传感和发电生物源传感装置，成为零电压写入人工神经系统的重要组件Advanced Materials (2024): 2404026, 10.1002/adma.202404026]。

图1  ILs类型及厚度对FTJs的P-V电滞回线影响示意图

图2  FTJs器件电导随编程脉冲变化模拟神经突触增强/抑制过程

期刊简介

期刊Advanced Electronic Materials重点发表物理：应用、材料科学：综合、纳米科技相关方向的文章。

该期刊是一个跨学科论坛，在材料科学，物理学，电子和磁性材料工程领域进行同行评审，高质量，高影响力的研究。除了基础研究外，它还包括电子和磁性材料、自旋电子学、电子学、器件物理学和工程学、微纳机电系统和有机电子学的物理和物理性质的研究。期刊最新引文指标为0.9，最新影响因子为5.3（2023）。

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