詳解高耐久性氧化鉿基鐵電存儲器

高耐久性氧化鉿基FeFET挑戰(zhàn)與解決方案

耐久性問題的核心挑戰(zhàn)

耐久性問題是制約FeFET大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙。唐克超教授在研究中指出，F(xiàn)eFET的耐久性通常限制在10?–10?次編程/擦寫循環(huán)，遠低于應(yīng)用需求。這一問題的核心原因包括：

■界面電場過高：寫入操作中界面電場可能超過氧化鉿的擊穿電場，導(dǎo)致電荷注入和界面層損傷；

■電荷累積效應(yīng)：反復(fù)操作過程中電荷注入導(dǎo)致性能逐漸退化。

高耐久性FeFET的優(yōu)化策略

鐵電-界面協(xié)同優(yōu)化

?通過改進鐵電材料與界面層的組合（如HAO鐵電層與Al?O?中間層），降低界面電場。

?使用先進的柵疊層優(yōu)化工藝，提高界面穩(wěn)定性。

反鐵電材料的引入

?結(jié)合反鐵電材料和氧化物半導(dǎo)體溝道，進一步降低操作電壓，實現(xiàn)高耐久性。

動態(tài)表征與機理研究

?利用DPC-STEM、HRTEM等先進表征手段，揭示電荷注入和極化翻轉(zhuǎn)的微觀機理，為材料優(yōu)化提供理論支持。

FeFET的應(yīng)用場景與未來前景

嵌入式非易失性存儲

FeFET以其非易失性和高存儲密度，在嵌入式系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用前景。特別是在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和汽車電子領(lǐng)域，F(xiàn)eFET能夠顯著降低功耗，延長設(shè)備壽命。其高耐久性和低功耗特點，使其成為下一代嵌入式存儲的理想選擇。

存算一體與神經(jīng)形態(tài)計算

存算一體架構(gòu)通過將存儲與計算功能集成在一個器件中，有效解決傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)中計算與存儲分離導(dǎo)致的瓶頸問題。FeFET的高速性和低功耗特性使其成為實現(xiàn)存算一體的理想選擇。在神經(jīng)形態(tài)計算領(lǐng)域，F(xiàn)eFET可用于模擬神經(jīng)元和突觸，支持復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的實時學(xué)習(xí)和推理，為下一代人工智能系統(tǒng)提供強大支持。

安全與隱私保護

基于FeFET的物理不可克隆函數(shù)（PUF）和真隨機數(shù)發(fā)生器（TRNG）技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)和邊緣設(shè)備的安全性方面具有顯著優(yōu)勢。FeFET的高隨機性和可重構(gòu)能力，為數(shù)據(jù)加密和身份認證提供了更高的可靠性和安全性。

高密度陣列存儲與3D集成

FeFET支持多層3D集成，可以在有限的物理空間內(nèi)實現(xiàn)更高的存儲密度。這使其在數(shù)據(jù)中心和云計算領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，特別是在需要處理海量數(shù)據(jù)的AI訓(xùn)練中，F(xiàn)eFET的高性能表現(xiàn)能夠滿足實時性和能效比的嚴苛需求。

高速計算中的應(yīng)用擴展

在高速計算中，F(xiàn)eFET的高線性度和低延遲特性使其成為解決高速數(shù)據(jù)處理需求的關(guān)鍵技術(shù)。其應(yīng)用范圍包括金融數(shù)據(jù)分析、科學(xué)計算和實時圖像處理等領(lǐng)域。通過將FeFET集成到專用加速器中，可以顯著提高計算效率并降低整體能耗。

消費電子與邊緣計算設(shè)備

在消費電子設(shè)備中，F(xiàn)eFET存儲器可以提供更長的電池續(xù)航時間和更快的響應(yīng)速度。此外，邊緣計算設(shè)備對低功耗、高可靠性的存儲器需求旺盛，F(xiàn)eFET在智能攝像頭、傳感器網(wǎng)關(guān)等設(shè)備中的應(yīng)用將進一步推動其市場化。

FeFET的測試與測量需求

單器件測試

對于單個FeFET器件的測試，主要關(guān)注以下指標：

■轉(zhuǎn)移特性（Id-Vg）：反映晶體管的柵控能力和存儲窗口；

■寫入速度與能耗：衡量極化翻轉(zhuǎn)能力；

■耐久性與保持性：驗證器件的長期穩(wěn)定性。

陣列級測試

FeFET的大規(guī)模應(yīng)用需要陣列測試平臺的支持。主要測試需求包括：

■編程與讀取：驗證陣列的準確性與一致性；

■選通與引出：通過矩陣開關(guān)和FPGA實現(xiàn)自動化操作。

面向新應(yīng)用的測試

針對存算一體和神經(jīng)形態(tài)計算的需求，需要開發(fā)高線性度和高速度的測試方法，同時兼顧動態(tài)范圍和電流精度。

泰克科技的支持：

助力FeFET的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化

泰克科技作為測量儀器行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，為FeFET研究提供了全面支持：

高帶寬示波器：滿足納秒級動態(tài)測試需求；

6系列B MSO混合信號示波器

半導(dǎo)體參數(shù)分析儀（4200A-SCS）：支持精確的電學(xué)表征

矩陣開關(guān)與自動化軟件：提高陣列測試效率。

此外，泰克的定制化測試方案能夠有效解決高動態(tài)范圍和高速測量的難題，加速科研成果的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化。

結(jié)語

鐵電材料與FeFET作為新型存儲技術(shù)的代表，在后摩爾時代展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＭㄟ^持續(xù)優(yōu)化材料性能、提升器件耐久性以及深化測試能力，F(xiàn)eFET有望在AI、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域迎來大規(guī)模應(yīng)用。未來，隨著產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界的深入合作，這一技術(shù)將為智能化時代的存儲革命提供堅實支撐。