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Nanotechnology编辑优选：基于HfxZr1-xO2电容器的铁电诱导双向电导调制

12 4月 2023 gabriels

本篇研究来自山东大学信息科学与工程学院詹学鹏和陈杰智课题组。本文通过制备器件结构TiN/HZO/TiN，TiN/HO-ZO/TiN和TiN/ZO-HO/TiN三种不同堆叠顺序的Hf_0.5Zr_0.5O₂电容器，探究堆叠顺序对器件铁电性能的影响，揭示了Hf_0.5Zr_0.5O₂电容器中电导调制的基本机制，并为基于铁电Hf_0.5Zr_0.5O₂人工突触的神经形态计算的发展提供了重要的科学数据。

文章介绍

Ferroelectricity induced double-direction conductance modulation in Hf_xZr_1-xO₂ capacitors

Bo Chen（陈博）, Shuhao Wu（吴书昊）, Xiaolin Yu（于晓琳）, Mingfeng Tang（唐鸣丰）, Guoqing Zhao（赵国庆）, Lu Tai（台路）, Xuepeng Zhan（詹学鹏） and Jiezhi Chen（陈杰智）

通讯作者：

詹学鹏，山东大学信息科学与工程学院
陈杰智，山东大学信息科学与工程学院

如图1所示，通过制备器件结构分别为TiN/HZO/TiN，TiN/HO-ZO/TiN和TiN/ZO-HO/TiN三种不同堆叠顺序的Hf_0.5Zr_0.5O₂电容器，来探究堆叠顺序对器件铁电性能的影响。并揭示了Hf_0.5Zr_0.5O₂电容器中电导调制的基本机制。通过对C-V和P-V测试的分析可知，相较与TiN/HO-ZO/TiN和TiN/ZO-HO/TiN电容器，结构为TiN/HZO/TiN的电容器展示出最高的铁电性，这是由于HfO₂和ZrO₂双层膜的交替的堆叠顺序以及较薄的单层膜厚可以促进铁电性的提高，使得电容器件内部的晶格畸变和极化强度增大。此外，铁电电容器在施加正负两种不同的脉冲下表现双向电导调制，这种双向电导调制可以用HZO铁电薄膜中部分畴切换过程来解释，通过极化反转可以改变铁电畴的方向，并实现双向的电导调制。为了进一步证明器件铁电性和电导调制的关系，我们还进行了对比测试，研究发现未经快速热退火处理的HZO电容器，在正负电压脉冲的作用下都仅表现出了单向电导调制，这种电阻开关行为与导电细丝模型吻合。因此我们认为无铁电性的HZO电容器电导率的下降，可能是由施加脉冲的作用下，器件内部的导电细丝逐渐溶解而造成的。说明器件表现出的双向电导调制行为与器件的铁电性高度相关。具有铁电性的HZO电容器，能够在脉冲的作用下表现出双向电导调制，这可以用来模拟生物突触功能中的刺激增强和刺激减弱过程。我们的发现为基于铁电Hf_0.5Zr_0.5O₂人工突触的神经形态计算的发展提供了重要的科学数据。

图1(a) Hf_0.5Zr_0.5O₂基器件的制备工艺。(b) TiN/HO-ZO/TiN电容、(c) TiN/ZO-HO/TiN电容和(d) TiN/HZO/TiN电容示意图。(e)不同尺寸电容的光学显微镜图像，比例尺为100μm。

图2. (a)初始脉冲:4V/10μs，逐步编程脉冲:-3V/1μs，逐步编程脉冲数目从1到10，读取操作为I-V扫描(记为Pattern_A)。(b)初始脉冲:- 4V/10μs，逐步编程脉冲:3V/1μs，逐步编程脉冲数目从1到10，读取操作为I-V扫描(记为Pattern_B)。(c)器件Vth和(d) 器件电流对S1电容器脉冲周期的关系；(e) 器件Vth和(f) 器件电流对S1*电容脉冲周期的关系。蓝线和黑线分别对应Pattern_A和Pattern_B。

研究背景：

随着信息时代的数据爆炸，传统的冯诺依曼(Von Neumann)计算架构已经不能满足日益增长的对高效、低能耗、高速并行计算系统的需求。新型非易失性存储器(eNVM)具有同时操作和存储信息的能力，被认为是打破瓶颈的潜在候选者。氧化铪基铁电存储器作为新兴的非易失性存储器，具有较好的铁电性和CMOS兼容性。其中Hf_0.5Zr_0.5O₂(HZO)铁电器件具有读写速度快、使用寿命长、能耗低等优点，通过HZO电容器模拟神经突触，可实现神经形态计算。氧化铪基铁电存储器可通过局部畴切换，模拟生物突触的增强和抑制过程，但其器件电导增加和减少的潜在机制尚不清楚，氧化铪基铁电电容器的可控性能的关键物理机理还需要进一步探索。

作者介绍

詹学鹏副教授

山东大学

邮箱：zhanxuepeng@sdu.edu.cn

网页：https://faculty.sdu.edu.cn/zhanxuepeng1/zh_CN/index/987757/list/index.htm

詹学鹏，副教授，硕士生导师。长期从事新型半导体存储芯片的材料/器件/设计/应用等相关研究，旨在基于新型非易失性存储单元构建三维高容量存储器/类脑神经形态计算系统。2012年、2017年获吉林大学电子科学与技术专业学士、博士学位。2018年，赴英国利物浦约翰摩尔斯大学电子电力与工程学院从事访问学者相关研究。2019年至今，入职山东大学信息科学与工程学院工作，并于2021年获得山东大学青年学者未来计划资助。目前，累计发表或合作发表SCI/EI科研论文50余篇，其中以第一/通讯作者论文24篇，包含AM/JMST/EDL/SCIS/AMI/OL/JLT等3篇1区7篇2区论文，申请/获得中国发明专利12项，获得中国计算机软件著作权1项。主持并参与山东省自然科学基金联合基金重点资助项目、山东省自然科学基金重点资助项目、中国国家博士后科学基金一等面上资助项目、中国国家自然科学基金青年科学基金项目、国家基金重大研究计划培育项目等多项省部级以上科研项目。IEEE/CCIA/中国电子学会会员，受邀参与存储行业标准制定/发展研究报告编写，担任学术桥评审专家，作为Crystals杂志(SCI影响因子2.670)客座编辑等，获山东大学青年教师比赛二、三等奖/青年教学能手荣誉称号。

期刊介绍

Nanotechnology

2021年影响因子：3.953 Citescore：6.2
Nanotechnology（NANO）创刊于1990年，是第一本纳米科研和技术领域的专业期刊。NANO发表纳米技术研究发展前沿的高水平研究论文及纳米研究进展的综述，主要集中在纳米能源、生物和医学、电子和光子、图案和纳米加工、传感和驱动、材料合成和材料性能等领域。