【對話(huà)前沿專(zhuān)家】基于鐵電晶體管科研，共探集成電路的創(chuàng )新之路

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隨著(zhù)人工智能和大數據技術(shù)的飛速發(fā)展，對算力和存儲的需求日益增長(cháng)。傳統的計算架構逐漸顯露出局限性，這促使學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界開(kāi)始探索新的計算架構和信息器件。在后摩爾時(shí)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)域的潛在應用而備受關(guān)注。

泰克科技與北京大學(xué)集成電路學(xué)院聯(lián)合舉辦了一場(chǎng)學(xué)術(shù)交流訪(fǎng)談會(huì )，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)域的應用前景。在這次訪(fǎng)談交流中，講座主講人北京大學(xué)集成電路學(xué)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(diǎn)痛點(diǎn)以及未來(lái)可能的解決之道。

唐克超老師團隊專(zhuān)注于鐵電材料及其存儲器件的研究，特別關(guān)注氧化鉿基鐵電材料，因其在集成電路中的高密度集成潛力而受到重視。他指出耐久性是鐵電存儲器應用中一個(gè)核心的挑戰，團隊的目標是優(yōu)化鐵電存儲器的性能，研究涉及鐵電耐久性原理研究、耐久性?xún)?yōu)化和存儲密度以及陣列的制備等方面。

鐵電存儲器有獨到特性和應用前景

張欣：您如何看待鐵電材料在集成電路領(lǐng)域的應用前景？

唐老師：目前有三種主流的鐵電存儲器技術(shù)：FeRAM、FeFET和FTJ，各自具有獨特的特性和應用前景。目前FTJ的存儲成熟度相對較低，因此研究和開(kāi)發(fā)主要集中在FeRAM和FeFET上，這兩種技術(shù)更接近實(shí)際應用和產(chǎn)業(yè)化。

FeRAM，即基于電容型的鐵電存儲器，因其與現有DRAM結構的相似性而最接近產(chǎn)業(yè)化應用。它旨在提供非易失性存儲解決方案，以結合DRAM的快速訪(fǎng)問(wèn)和低功耗特性，特別適合需要頻繁刷新的場(chǎng)景。FeFET，即基于晶體管型的鐵電存儲器，是我們團隊的研究重點(diǎn)。這種存儲器以其高集成密度、快速操作和低功耗而受到關(guān)注。FeFET的優(yōu)勢在于其三端器件的設計，這使得它非常適合用于存算一體、神經(jīng)形態(tài)計算和安全應用等先進(jìn)領(lǐng)域。此外，FeFET支持非破壞性讀取，允許在不重寫(xiě)的情況下進(jìn)行數據讀取，這在提高存儲效率方面是一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)勢。FTJ即基于隧穿結的鐵電存儲器，目前主要處于前沿研究階段。FTJ面臨的主要挑戰是其較小的讀電流，這限制了其速度潛力。盡管如此，FTJ在神經(jīng)形態(tài)計算等低功耗應用中顯示出巨大潛力。

鐵電存儲研究中遇到的挑戰

張欣：在FeFET的研究中，您的團隊遇到了哪些挑戰？

唐老師：目前來(lái)說(shuō)，FeFET面臨的最大挑戰是耐久性問(wèn)題，即在反復編程和擦寫(xiě)后性能衰減。我們發(fā)現，界面電場(chǎng)過(guò)高是導致這一問(wèn)題的主要原因，這需要系統性的優(yōu)化。盡管FeFET器件在讀寫(xiě)速度和功耗方面具有顯著(zhù)優(yōu)勢，但其耐久性問(wèn)題一直是制約其廣泛應用的主要障礙。團隊在這方面發(fā)現FeFET耐久性問(wèn)題的核心原因就是因為它在界面處寫(xiě)操作的時(shí)候，電場(chǎng)非常的高，可以高到大概10兆伏每厘米，基本上已經(jīng)超過(guò)了氧化硅的擊穿電場(chǎng)了，所以這就會(huì )導致器件在循環(huán)過(guò)程中積累很多的電荷，同時(shí)在一定程度之后，它還會(huì )導致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(guò)鐵電-界面協(xié)同優(yōu)化，顯著(zhù)提升了FeFET器件的耐久性。

張欣：對于鐵電器件，它就是通過(guò)局域電場(chǎng)讓鐵電發(fā)生翻轉來(lái)實(shí)現0和1的表征。對于這個(gè)問(wèn)題，豈不是鐵電材料與生俱來(lái)的嗎？

老師：鐵電材料的極化狀態(tài)通常需要電場(chǎng)的作用才能翻轉，而在鐵電場(chǎng)效應晶體管（FeFET）中，這一現象尤為顯著(zhù)。FeFET的大部分電場(chǎng)實(shí)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(guò)電荷連續性方程的計算，我們可以發(fā)現，該界面處的電場(chǎng)強度遠高于傳統金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）的界面電場(chǎng)。在FeFET中，這種效應會(huì )被進(jìn)一步放大，因此，要解決這一問(wèn)題，需要從多個(gè)角度進(jìn)行全面的考量，包括鐵電材料本身對電場(chǎng)的響應，以及界面結構和界面缺陷對電場(chǎng)分布的影響。

鐵電材料因其獨特的物理特性，在集成電路、傳感器、驅動(dòng)器、熱學(xué)器件以及光電探測器等多個(gè)領(lǐng)域展現出巨大的應用潛力。尤其是在大數據和人工智能技術(shù)迅速發(fā)展的今天，鐵電材料的高性能特性使其成為推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵因素。

測量方法及測量表征建議

張欣：如果要做FeFET測試和表征的話(huà)，需要有哪些量測方法？

唐老師：這個(gè)器件的測試，當然是有很多不同的角度的測試，包括像轉移曲線(xiàn)Id-Vg的測試、讀寫(xiě)速度的測試、耐久性測試、保持性測試，以及還需要在陣列方面讀寫(xiě)、串擾方面的一些測試。

轉移曲線(xiàn)（Id-Vg）測試是測量器件在不同柵極電壓下的電流-電壓特性，以評估其開(kāi)關(guān)特性和閾值電壓。讀寫(xiě)速度測試，用來(lái)評估FeFET在實(shí)際工作條件下的響應速度。耐久性測試通過(guò)反復進(jìn)行編程和擦寫(xiě)操作，評估器件的長(cháng)期穩定性和可靠性。保持性測試測量器件在無(wú)電源條件下保持存儲狀態(tài)的能力。陣列讀寫(xiě)和串擾測試，評估在大規模集成時(shí)，器件之間的相互影響和串擾問(wèn)題。

張欣：在FeFET的電學(xué)表征和測量方面，您有哪些經(jīng)驗和建議？

唐老師：我們需要精確測量FeFET在快速操作下的電流和電荷，這要求測試設備具備高速度和高精度。我們通常使用AWG、半導體參數分析儀和高帶寬示波器來(lái)進(jìn)行這些測試。

主要涉及四類(lèi)產(chǎn)品。第一類(lèi)是任意波形發(fā)生器（AWG），用于產(chǎn)生各種測試信號，特別是高速脈沖，用于測量極化翻轉速度等動(dòng)力學(xué)性能；第二類(lèi)是半導體參數分析儀，如4200A-SCS，用于測量FeFET的電學(xué)特性，例如Ig-Vd，并搭載源測量單元（SMU）或脈沖測量單元（PMU）進(jìn)行WRITE、READ操作，多用于可靠性和保持性的測試；另外，測量非常高速的信號還要用到高帶寬示波器，尤其是當需要表征鐵電材料的動(dòng)態(tài)行為，如亞納秒級別的快速響應時(shí)；除了這三項關(guān)鍵設備，在進(jìn)行陣列測試中還需要使用到這個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)，以便能夠快速選擇并測試陣列中的單個(gè)器件，而不需要手動(dòng)逐一連接。

總結來(lái)說(shuō)，FeFET的測試和表征需要一系列精密的設備和細致的測試方法，以確保能夠全面評估其電學(xué)性能和可靠性。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展和陣列規模的增大，測試過(guò)程的自動(dòng)化將變得越來(lái)越重要。

未來(lái)商業(yè)化仍充滿(mǎn)挑戰

張欣：那像鐵電FeFET目前還是在實(shí)驗室處于科研的階段。未來(lái)商業(yè)化量產(chǎn)可能會(huì )在什么樣的時(shí)間節點(diǎn)？

唐老師：預測FeFET的商業(yè)化時(shí)間表存在難度，因為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不確定性較高。比較近期最有可能實(shí)現商業(yè)化應用的應該是NAND型FeFET，尤其是在三維存儲器領(lǐng)域，如FlashNAND技術(shù)。但是即便在NAND型FeFET中，仍面臨諸多技術(shù)挑戰，包括縮小尺寸后的可靠性、耐久性、保持性，以及陣列中的各種串擾問(wèn)題。

在未來(lái)5年內，FeFET可能會(huì )在嵌入式非易失性存儲器領(lǐng)域找到應用，盡管這一市場(chǎng)相對較小，競爭激烈。FeFET可能需要5到10年的時(shí)間才能實(shí)現大規模商業(yè)化生產(chǎn)。長(cháng)期來(lái)看，希望FeFET能夠進(jìn)入更大的市場(chǎng)，并成為主流的存儲器技術(shù)。