后摩尔时代存储技术之高耐久性氧化铪基铁电材料
后摩尔时代存储技术之高耐久性氧化铪基铁电材料
大数据与AI时代对存储技术的需求
随着AI技术的快速发展，特别是大规模语言模型（如ChatGPT和Sora）的出现，对数据处理能力和存储技术提出了全新的需求。传统存储器架构在能效比和计算效率上的限制，逐渐成为瓶颈。
如何实现更高效的存储技术，以满足大数据、AI推理与训练的实时性和能效需求，是后摩尔时代存储技术的核心课题。在这种背景下，以氧化铪基铁电材料为代表的新型存储技术正逐步成为学术界和产业界的研究焦点。
铁电材料的发展与技术背景
铁电材料的基本定义与特性
铁电材料是一种具有自发极化能力的材料，其极化状态可以在外加电场作用下翻转。其特有的极化-电场回滞特性使其与铁磁性相似，因而得名“铁电”。这些特性使得铁电材料在存储器、传感器、驱动器以及光电探测器等领域具有广泛的应用潜力
极化：正负电荷中心不重合
氧化铪铁电材料的崛起
传统的钙钛矿类铁电材料由于尺寸难以进一步缩小，已经难以满足现代集成电路对高密度与高集成度的需求。而氧化铪（HfO₂）基铁电材料凭借其卓越的微缩能力和与现有CMOS工艺的兼容性，成为近年来铁电研究的热点材料。氧化铪材料的出现标志着铁电材料从传统迈向现代，开启了存储器应用的新纪元。
FeFET：高耐久性铁电存储器的核心技术
FeFET的基本原理
铁电场效应晶体管（FeFET）是一种基于铁电材料的晶体管结构，其工作原理是通过铁电材料的极化状态变化实现不同的存储状态。具体而言，栅介质中的铁电极化引起转移曲线的逆时针回滞，以高低阈值电压表示“0”和“1”状态。
FeFET的技术优势
相比传统存储器技术，FeFET具有以下优势：
高存储密度：单个存储单元由一个晶体管构成，可实现高密度集成；
低功耗：极化翻转所需能量低于传统存储器；
高速性：操作速度小于20纳秒，适合实时性要求高的应用场景；
非破坏性读取：避免数据读取过程中对存储状态的破坏，提高整体存储效率。
高耐久性氧化铪基FeFET挑战与解决方案
耐久性问题的核心挑战
耐久性问题是制约FeFET大规模应用的主要障碍。唐克超教授在研究中指出，FeFET的耐久性通常限制在10⁵–10⁶次编程/擦写循环，远低于应用需求。这一问题的核心原因包括：
界面电场过高：写入操作中界面电场可能超过氧化铪的击穿电场，导致电荷注入和界面层损伤；
电荷累积效应：反复操作过程中电荷注入导致性能逐渐退化。
高耐久性FeFET的优化策略
铁电-界面协同优化
通过改进铁电材料与界面层的组合（如HAO铁电层与Al₂O₃中间层），降低界面电场。
使用先进的栅叠层优化工艺，提高界面稳定性。
反铁电材料的引入
结合反铁电材料和氧化物半导体沟道，进一步降低操作电压，实现高耐久性。
动态表征与机理研究
利用DPC-STEM、HRTEM等先进表征手段，揭示电荷注入和极化翻转的微观机理，为材料优化提供理论支持。
FeFET的应用场景与未来前景
嵌入式非易失性存储
FeFET以其非易失性和高存储密度，在嵌入式系统中具有广泛应用前景。特别是在物联网设备和汽车电子领域，FeFET能够显著降低功耗，延长设备寿命。其高耐久性和低功耗特点，使其成为下一代嵌入式存储的理想选择。
存算一体与神经形态计算
存算一体架构通过将存储与计算功能集成在一个器件中，有效解决传统冯·诺依曼架构中计算与存储分离导致的瓶颈问题。FeFET的高速性和低功耗特性使其成为实现存算一体的理想选择。在神经形态计算领域，FeFET可用于模拟神经元和突触，支持复杂网络的实时学习和推理，为下一代人工智能系统提供强大支持。
安全与隐私保护
基于FeFET的物理不可克隆函数（PUF）和真随机数发生器（TRNG）技术，在物联网和边缘设备的安全性方面具有显著优势。FeFET的高随机性和可重构能力，为数据加密和身份认证提供了更高的可靠性和安全性。
高密度阵列存储与3D集成
FeFET支持多层3D集成，可以在有限的物理空间内实现更高的存储密度。这使其在数据中心和云计算领域展现出巨大潜力，特别是在需要处理海量数据的AI训练中，FeFET的高性能表现能够满足实时性和能效比的严苛需求。
高速计算中的应用扩展
在高速计算中，FeFET的高线性度和低延迟特性使其成为解决高速数据处理需求的关键技术。其应用范围包括金融数据分析、科学计算和实时图像处理等领域。通过将FeFET集成到专用加速器中，可以显著提高计算效率并降低整体能耗。
消费电子与边缘计算设备
在消费电子设备中，FeFET存储器可以提供更长的电池续航时间和更快的响应速度。此外，边缘计算设备对低功耗、高可靠性的存储器需求旺盛，FeFET在智能摄像头、传感器网关等设备中的应用将进一步推动其市场化。
FeFET的测试与测量需求
单器件测试
对于单个FeFET器件的测试，主要关注以下指标：
转移特性（Id-Vg）：反映晶体管的栅控能力和存储窗口；
写入速度与能耗：衡量极化翻转能力；
耐久性与保持性：验证器件的长期稳定性。
阵列级测试
FeFET的大规模应用需要阵列测试平台的支持。主要测试需求包括：
编程与读取：验证阵列的准确性与一致性；
选通与引出：通过矩阵开关和FPGA实现自动化操作。
面向新应用的测试
针对存算一体和神经形态计算的需求，需要开发高线性度和高速度的测试方法，同时兼顾动态范围和电流精度。
泰克科技的支持：助力FeFET的研发与产业化
泰克科技作为测量仪器行业的***，为FeFET研究提供了全面支持：
高带宽示波器：满足纳秒级动态测试需求；
6系列B MSO混合信号示波器
半导体参数分析仪（4200A-SCS）：支持精确的电学表征
矩阵开关与自动化软件：提高阵列测试效率。
此外，泰克的定制化测试方案能够有效解决高动态范围和高速测量的难题，加速科研成果的产业化转化。
结语
铁电材料与FeFET作为新型存储技术的代表，在后摩尔时代展现出巨大的发展潜力。通过持续优化材料性能、提升器件耐久性以及深化测试能力，FeFET有望在AI、大数据和物联网等领域迎来大规模应用。未来，随着产业界与学术界的深入合作，这一技术将为智能化时代的存储革命提供坚实支撑。
文章版权属于泰克所有