近日，华东师范大学物电学院电子科学系，上海类脑智能材料与器件研究中心和极化材料与器件教育部重点实验室段纯刚教授和田博博教授团队提出了一种基于铁电调控的鳍式二极管结构的新型非易失存储器---铁电鳍式二极管（ferroelectric fin diode，FFD）。研究成果以“A ferroelectric fin diode for robust non-volatile memory”为题，于2024年1月13日在线发表于Nature Communications。
图1.《自然通讯》刊发华东师大段纯刚教授和田博博教授课题组最新研究成果
随着铁电材料的发展和应用，基于铁电材料的非易失性存储器在军事和商业应用方面均获得了大量投入。最具代表性的是基于铁电材料的电容器、隧道结和场效应晶体管。基于电容器的铁电电容器（FeRAM）（图2a）由于良好的耐久性（>1012）和稳定性，在小批量应用中非常具有竞争力。然而，其电荷读取过程是一个破坏性过程，阻碍了其在基于欧姆和基尔霍夫定律实现模拟矩阵运算的存算一体方面的未来应用。铁电隧道结（FTJ）（图2b）的非破坏性电导读取模式和简单的结构对高密度存储器和存内计算应用均十分有吸引力。但是FTJ为了满足直接量子隧穿，其铁电功能层薄到只有几个纳米厚度。纳米尺度下的矫顽电场较块体大很多，强场下的极化反转带来较差的耐疲劳性。铁电晶体管（FeFET）通过改变铁电栅介质层的畴结构来非易失调控半导体沟道的电导（图2c），完美的避免了上述的两个问题。然而，与FeRAM中的铁电层直接生长在电极上不同，FeFET中的铁电层与半导体或者半导体上的缓冲层相接触。由于缺乏良好的外延条件，FeFET中的铁电层通常表现为介观上无序的多晶铁电体，这不可避免的会导致纳米级器件之间的不均匀性。这种器件不均匀性使FeFET的商业化面临挑战。
为了解决上述问题，团队研发了一种铁电鳍式二极管（FFD）的新型非易失存储器（图2d）。其中铁电电容器和侧壁鳍状的半导体沟道共享顶部和底部电极。通过在两端的半导体/电极界面分别形成欧姆和肖特基接触，当向肖特基势垒施加反向电压时，由于电容器和沟道路径中的电势梯度差异导致了横向的电场分量，该横向电场通过操纵铁电畴对垂直侧壁沟道进行非易失的静电掺杂调控，从而产生铁电极化主导的非易失性阻变行为（图2）
图2.铁电存储器性能的比较。(a-d)铁电随机存储器（FeRAM）(a)、铁电隧道结（FTJ）(b)、铁电场效应晶体管（FeFET）(c)和提出的FFD(d)。
该团队利用不同的铁电材料（如有机P(VDF-TrFE)聚合物和工业上使用的无机Pb(Zr,Ti)O3化合物）成功演示了FFD存储器，验证了其通用性。与目前众多的非易失性存储器相比，这种FFD存储器表现出优秀的性能：如超过1010次循环的耐久性、~102的开/关比、30纳米的特征尺寸、~20 fJ的操作能耗和100 ns的操作速度。得益于这种FFD的简单结构和~104的自整流伏安特性，该团队进一步构建了1.6 k规模的无源交叉阵列，并利用该阵列完成了简单模式分类的存内计算任务演示（图3）。
图3.基于FFD的无源交叉阵列的模式分类任务。
华东师范大学冯光迪博士研究生和朱秋香副教授为论文的共同第一作者，田博博教授为论文通讯作者。研究工作获国家重点研发计划、国家自然科学基金、之江实验室开放课题、上海市科技创新行动计划的资助以及华东师范大学微纳加工平台等实验平台的大力支持。
附：
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-44759-5
