后摩爾時代專題，泰克張欣與北大集成電路學院唐克超老師共話鐵電晶體管、存儲計算科研進展

人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展對芯片存儲性能和算力提出了更高的需求。傳統(tǒng)的計算架構(gòu)逐漸顯露出局限性，這促使學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界開始探索新的計算架構(gòu)和信息器件。在后摩爾時代，鐵電晶體管（FeFET）作為一種新型的信息器件，因其在存儲和計算領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而備受關(guān)注。

泰克科技與北京大學集成電路學院唐克超課題組聯(lián)合舉辦了一場學術(shù)交流訪談會，旨在探討高耐久性氧化鉿基鐵電晶體管（FeFET）器件及其在集成電路領(lǐng)域的應(yīng)用前景。在這次訪談交流中，講座主講人北京大學集成電路學院的唐克超老師分享了他們團隊在鐵電材料和器件研究方面的最新成果，并探討了當前研究的難點痛點以及未來可能的解決之道。

唐克超老師團隊專注于鐵電材料及相關(guān)存儲器件的研究，特別關(guān)注氧化鉿基鐵電材料。他指出氧化鉿基鐵電存儲器由于其高密度集成潛力而受到重視，但耐久性是器件應(yīng)用面臨的一個核心的挑戰(zhàn)。團隊的主要目標是解決耐久性問題并協(xié)同優(yōu)化器件性能，研究涉及鐵電耐久性原理、耐久性和存儲密度優(yōu)化以及陣列制備和應(yīng)用等方面。

鐵電存儲器的特性和應(yīng)用前景

張欣：您如何看待鐵電材料在集成電路領(lǐng)域的應(yīng)用前景？

唐老師：???目前有三種主流的鐵電器件技術(shù)：FeRAM、FeFET和FTJ，各自具有獨特的特性和應(yīng)用前景。在存儲技術(shù)領(lǐng)域，目前FTJ的成熟度相對較低，因此研究和開發(fā)主要集中在FeRAM和FeFET上，這兩種技術(shù)更接近實際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。

FeRAM，即基于電容型的鐵電存儲器，其結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的DRAM類似?；阝}鈦礦鐵電的FeRAM已有商業(yè)化產(chǎn)品，而氧化鉿基FeRAM也有較好的產(chǎn)業(yè)化前景。它旨在提供非易失性的高速存儲方案，將快速數(shù)據(jù)訪問和低靜態(tài)功耗特性相結(jié)合，契合集成電路對速度和功耗的發(fā)展需求。FeFET，即基于晶體管型的鐵電存儲器，是我們團隊的研究重點。這種存儲器以其高集成密度、高速讀寫和低功耗而受到關(guān)注。FeFET的優(yōu)勢在于其三端器件讀寫分離的特點，這使得它可以在數(shù)據(jù)讀取后不需要進行重寫，提高器件操作效率，并非常適合存算一體、神經(jīng)形態(tài)計算和硬件安全等新型應(yīng)用。FTJ即基于隧穿結(jié)的鐵電存儲器，目前偏向于前沿研究階段。FTJ面臨的主要挑戰(zhàn)是其較小的讀電流，這限制了器件的讀取速度。盡管如此，F(xiàn)TJ在神經(jīng)形態(tài)計算等低功耗應(yīng)用中顯示出巨大潛力。

鐵電存儲研究中遇到的挑戰(zhàn)

張欣：在FeFET的研究中，您的團隊遇到了哪些挑戰(zhàn)？

唐老師：目前來說，F(xiàn)eFET面臨的最大挑戰(zhàn)是耐久性問題，即在反復(fù)編程和擦寫后性能衰減。我們發(fā)現(xiàn)，界面電場過高是導致這一問題的主要原因，而這需要系統(tǒng)性的優(yōu)化。盡管FeFET器件在讀寫速度和功耗方面具有顯著優(yōu)勢，但其耐久性問題一直是制約其廣泛應(yīng)用的主要障礙。FeFET耐久性問題的核心原因就是因為它在進行寫操作的時候，界面層的電場非常的高，甚至可以超過氧化硅的擊穿電場。所以這就會導致器件在循環(huán)過程中，電場驅(qū)動界面電荷的俘獲與積累，導致新的電荷陷阱產(chǎn)生，同時在一定程度之后還會引起界面層的擊穿，最終導致器件的失效。團隊在這一領(lǐng)域取得了突破性成果，通過新型鐵電材料的引入和鐵電-界面協(xié)同優(yōu)化，顯著提升了FeFET器件的耐久性。

張欣：對于鐵電器件，它就是通過局域電場讓鐵電發(fā)生翻轉(zhuǎn)來實現(xiàn)0和1的表征。對于這個問題，豈不是鐵電材料與生俱來的嗎？

唐老師：鐵電材料的極化狀態(tài)通常需要電場的作用才能翻轉(zhuǎn)，而在鐵電場效應(yīng)晶體管（FeFET）中，這一現(xiàn)象尤為顯著。FeFET的大部分電場實際上并不是直接作用于鐵電層，而是集中在鐵電層與溝道之間的1至2納米的界面上。通過電荷連續(xù)性方程的計算，我們可以發(fā)現(xiàn)，該界面處的電場強度遠高于傳統(tǒng)金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的界面電場。因此在FeFET中，界面處的可靠性問題會被進一步放大。要解決這一問題，需要從多個角度進行全面的考量，包括鐵電材料本身對電場的響應(yīng)，界面結(jié)構(gòu)和缺陷對電場的影響，以及界面層結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性等。

測量方法及測量表征建議