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西安电子科技大学突破铁电存储器耐久极限

随着人工智能和高性能计算的快速进步，下一代非易失性存储器不仅需要具备数据存储能力，还要实现快速写入、低功耗和高重复擦写能力，并具备高密度集成的特性。铁电存储器通过原子级的极化翻转来记录信息，是突破传统电荷存储限制的重要途径。近年来，纤锌矿结构的氮化物铁电材料因其高余极化、高矫顽场、低温制备以及三维集成潜力而受到关注，但其耐久性问题一直困扰着研究者，这类材料通常在大约一亿次循环后会失效。

近期，西安电子科技大学的韩根全教授和郝跃院士，与周久人教授一起探讨了氮空位在纤锌矿铁电材料耐久失效中的关键作用。研究表明，循环电场导致氮空位的重新分布和聚集，最终形成贯穿膜厚的缺陷渗流通道，增加漏电并引发介电击穿。针对这一机制，研究团队设计了周期性排列的AlScN/AlN超晶格，并通过动态恢复策略限制氮空位的迁移和聚集。在完整极化翻转的情况下，器件在室温下达到了47亿次的循环，在250K下甚至突破了100亿次，使耐久性提升了大约两个数量级。

研究展示了“失效—解决”的清晰逻辑。在普通AlScN薄膜中，氮空位并非静止，随着电场的重复翻转，它们聚集并沿膜厚方向形成了缺陷路径，导致漏电流增加，最终引发器件的硬击穿。研究人员在AlScN中插入周期性的AlN薄层，实质上是在氮空位迁移路径上设置了“隔离墙”，以切断缺陷的长距离通道。同时，通过脉冲操作将聚集的氮空位分散，形成空间与能量的双重限制。 qy球友会官网

通过电子能量损失谱的分析，研究人员发现氮空位在晶界附近聚集，这种分布的变化导致漏电流迅速增加，最终使器件发生不可逆击穿。研究小组的理论计算显示，AlScN中不同的氮位点形成氮空位的能量差异，使得氮空位容易形成并聚集。因此，他们在AlScN之间插入不含Sc的AlN层，这样可以提高氮空位形成的能量，并增加其迁移的能量障碍。

通过这种设计，构建的AlScN/AlN超晶格即便经历数千万次循环，AlN层仍能有效阻断缺陷的继续扩展。更为重要的是，器件的失效过程也有所改变，从普通的硬击穿转变为慢性且可恢复的性能下降。结合恢复操作，室温下可达47亿次循环，且始终满足完整翻转的标准，在250K下则超过100亿次。

最终的实验结果表明，经过数十亿次循环后，超晶格的连续应变通道仍未形成，缺陷相关的路径在AlN层处被截断，验证了AlN层在介电击穿中的有效空间抑制作用。尽管如此，为了进一步提升性能，仍需解决氮空位的局部聚集问题，以防止铁电极化的下降。 qy球友会官网

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