西安电子科技大学团队揭示铁电材料失效机制

驱动中国9月25日消息，西安电子科技大学郝跃院士团队联合香港城市大学和复旦大学，在纤锌矿铁电材料耐久性问题上取得重要突破。研究团队揭示了该类材料在循环电场下的失效微观机制，并提出了“氮空位拓扑稳定”调控方案，成功将铁电存储器的循环寿命提升至100亿次以上。相关研究论文已于9月11日发表在国际学术期刊《Science》上。

铁电存储器利用材料中原子尺度的极化方向记录信息。以氮化铝钪为代表的纤锌矿氮化物铁电材料，因结构高度有序且与现有芯片制造工艺兼容，被视为下一代非易失性存储器的候选材料。然而，这类材料在反复读写过程中存在耐久性不足的问题。在完全极化翻转条件下，现有器件通常在约一亿次循环后即出现失效。

此前，研究人员虽已观察到漏电增加、铁电性能退化等宏观失效现象，但对于循环电场作用下材料内部缺陷如何运动、演化并最终导致器件失效，一直缺乏清晰的微观物理图像。针对这一难题，韩根全、周久人教授团队综合运用电输运分析、电子叠层衍射成像、电子能量损失谱、几何相位应变分析及第一性原理计算等多种手段，在原子尺度追踪缺陷的动态演化，最终将失效焦点锁定于“氮空位”。

研究发现，循环电场会持续驱动氮空位发生重新分布、局域团聚和长程迁移，进而导致两条失效路径：一是氮空位长程渗流迁移促进了贯穿薄膜厚度方向的漏电通道形成，最终诱发硬击穿；二是氮空位的局域重构与极化相关的晶格重取向发生耦合，导致存储极化信号逐渐退化。

基于上述失效机制，团队提出了“氮空位拓扑稳定”的缺陷调控概念，并设计了空间与能量协同的双重干预方案。在空间维度上，通过构筑氮化铝钪/氮化铝铁电超晶格结构，利用周期性插入的氮化铝层阻挡氮空位沿薄膜厚度方向的长程迁移；在能量维度上，引入动态恢复方法，促使已局域聚集的氮空位重新分布。

测试结果显示，两种手段协同作用有效维持了氮空位空间构型在长期电应力下的稳定性。该方案制备的超晶格器件在保持完全极化翻转条件下，实现了超过100亿次的循环耐久性，较此前纪录提升约两个数量级。此外，器件在经历10亿次循环后，存储信号衰减控制在3%以内。

周久人教授表示，过去优化寿命更多依赖更换材料配方或调整工艺参数，如今有了清晰的微观物理图像，可以有针对性地设计调控方案。该框架对同类纤锌矿铁电材料均具有参考价值。

该研究由西安电子科技大学作为第一完成单位，集成电路学部2025级博士研究生王瑞清、杭州研究院研究员朱峰为第一作者，韩根全教授、周久人教授为通讯作者，香港城市大学和复旦大学为合作单位。