為了打破馮·諾依曼瓶頸，鐵電晶體管成為了下一代存儲器的有利競爭者，但是鈣鈦礦等傳統(tǒng)鐵電材料存在與MOS器件不兼容且鈣鈦礦材料器件的微縮存在壁壘等嚴重問題。近期，鉿基鐵電的出現(xiàn)重新引起了人們對鐵電材料的關(guān)注，但是鉿基鐵電相型較多，極大影響了鉿基鐵電的應用。如何提高鉿基薄膜中鐵電相的比例以及提高薄膜中鐵電相的原因成為了現(xiàn)階段急需解決的問題。

復旦大學微電子學院陳琳教授團隊在鋁對氧化鉿薄膜鐵電特性的影響及其影響薄膜鐵電特性的原因方面進行了研究，成功在鋁調(diào)控氧化鉿鐵電特性的機理方面獲得原創(chuàng)性成果，工作進展以“The Doping Effect on the Intrinsic Ferroelectricity in Hafnium Oxide-based Nano-Ferroelectric Devices” 為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nano Letters》。文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00085（可點擊“閱讀原文”獲取）。微電子學院教授陳琳、陳時友、博士后王天宇為共同通訊作者，李振海和魏金宸為共同第一作者。

本工作提出了鋁摻雜對氧化鉿薄膜鐵電特性的影響及其相關(guān)機理的解釋。在過去兩年的工作中，團隊一直在探究影響氧化鉿薄膜鐵電特性的原因及其相關(guān)的機理（Advanced electronic materials. 2022，8(12)，10.1002/aelm.202200951. ），并在探進影響氧化鉿薄膜鐵電特性的原因和相關(guān)機理方面獲得多項原創(chuàng)性研究成果（IEEE electron device letters. 2023, 44(3)， 10.1109/LED.2023.3234690.；IEEE electron device letters.2023, 44(1), 10.1109/LED.2022.3226195.）。

本項工作從實驗和理論相結(jié)合的角度出發(fā)，探究了摻雜變化對氧化鉿薄膜鐵電特性影響的原因。實驗發(fā)現(xiàn)在氧化鉿薄膜中摻雜2.4%的鋁，器件具有較好的鐵電特性。并通過第一性原理分析的方法進行分析解釋，發(fā)現(xiàn)過多鋁的摻雜將會生成氧化鋁從而破壞鐵電相的穩(wěn)定，但是鋁的不足以產(chǎn)生大的內(nèi)應力從而穩(wěn)定薄膜中的正交相。這項研究有助于推動集成電路領(lǐng)域中新型低功耗微納電子器件開發(fā)與應用。

圖1. 器件制備流程及其Al對氧化鉿鐵電相的影響

圖2. 在不同鋁濃度下不同缺陷的形成能

圖3. 不同鋁含量下薄膜內(nèi)部成分變化情況

圖4. 氧化鉿基鐵電器件存儲性能

（來源：復旦大學微電子學院）