互联网、人工智能等信息技术的快速发展，对存储器的存储密度、访问速度以及操作次数都提出了更高的要求。氧化铪基铁电存储器具有低功耗、高速、高可靠性等优势，被认为是下一代非易失性存储器技术的潜在解决方案。现在普遍研究的正交相（orthorhombic phase，簡稱“o相”）HfO₂基鐵電材料由于自身高鐵電翻轉勢壘和“獨立翻轉”的偶極子翻轉模式，使基于該鐵電材料的器件具有高矯頑場，進而導致器件工作電壓與先進技術節點不兼容、擦寫次數受限等問題。這一問題是基于o相HfO₂基鐵電材料的本征特性，難以通過傳統的優化工藝加以解決。因此，尋找一個結構穩定且具有低翻轉勢壘的HfO₂基鐵電材料是迫切需要解決的難題。 

　　针对这一问题，微电子器件与集成技术重点实验室劉明院士团队与中國科學院物理所杜世萱研究員团队合作，发现了一种稳定的铁电三方相Hf(Zr)_1+xO₂材料結構，這種結構降低了HfO₂基鐵電材料中鐵電偶極子的翻轉勢壘。通過基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算發現，當Hf(Zr)₁+_xO₂材料中，Hf(Zr)與氧的比例大于1.079:2時，三方相的形成能低于鐵電o相和單斜相（m相）的形成能。掃描透射電子顯微鏡（STEM）實驗清晰顯現了過量Hf(Zr)原子嵌入在鐵電三方相晶格的晶體結構，證實了理論計算的結果。嵌入的Hf(Zr)原子擴展了晶格，增加了其面內和面外應力，起到了穩定Hf(Zr)_1+xO₂材料結構和降低其鐵電翻轉勢壘的作用。基于Hf(Zr)_1+xO₂薄膜的鐵電器件展示了超低矯頑場（~0.65MV/cm）、高剩余極化（P_r）值(22μC/cm²的)、小的飽和極化電場（1.25MV/cm）、和大的擊穿電場（4.16MV/cm），並在飽和極化下實現了10¹²次循環的耐久性。這一研究結果爲低功耗、低成本、長壽命的存儲器芯片提供了一種有效的解決方案。 

　　该研究成果得到了科技部、国家自然科学基金委、北京市自然科学基金委、中國科學院的支持。成果近期发表在Science期刊上（DOI: 10.1126/science.adf6137），微电子所王渊博士为文章的第一作者，中國科學院大学陶蕾博士为共同第一作者，微电子所劉明院士、罗庆研究員和中國科學院物理所杜世萱研究員为该文章的共同通讯作者。此外，参与本工作的主要研究人员还包括微电子所刘宇工程师和杨阳博士、中國科學院大学Roger Guzman博士和周武研究員等。 

　　文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf6137 A stable rhombohedral phase in ferroelectric Hf(Zr)₁+_xO₂ capacitor with ultralow coercive field Y Wang，L Tao , R Guzman, Q Luo^*, W Zhou, Y Yang, Y Wei,Y Liu, P Jiang, Y Chen, Sh Lv, Y Ding, W Wei, T Gong,Y Wang, Q Liu, Sh Du^*, M Liu^* 

圖1平面鐵電電容器的基本特性及Hf(Zr)_1+xO₂薄膜的結構表征

圖2富含Hf(Zr)原子的菱面體Hf(Zr)_1+xO₂薄膜的原子尺度STEM分析

圖3 基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算

圖4基于Hf(Zr)_1+xO₂薄膜的鐵電電容器的性能