【对话前沿专家】基于铁电晶体管科研，共探集成电路的创新之路

后摩尔时代专题，泰克张欣与北大集成电路学院唐克超老师共话铁电晶体管、存储计算科研进展

随着人工智能和大数据技术的飞速发展，对算力和存储的需求日益增长。传统的计算架构逐渐显露出局限性，这促使学术界和产业界开始探索新的计算架构和信息器件。在后摩尔时代，铁电晶体管（FeFET）作为一种新型的信息器件，因其在存储和计算领域的潜在应用而备受关注。

泰克科技与北京大学集成电路学院联合举办了一场学术交流访谈会，旨在探讨高耐久性氧化铪基铁电晶体管（FeFET）器件及其在集成电路领域的应用前景。在这次访谈交流中，讲座主讲人北京大学集成电路学院的唐克超老师分享了他们团队在铁电材料和器件研究方面的最新成果，并探讨了当前研究的难点痛点以及未来可能的解决之道。

唐克超老师团队专注于铁电材料及其存储器件的研究，特别关注氧化铪基铁电材料，因其在集成电路中的高密度集成潜力而受到重视。他指出耐久性是铁电存储器应用中一个核心的挑战，团队的目标是优化铁电存储器的性能，研究涉及铁电耐久性原理研究、耐久性优化和存储密度以及阵列的制备等方面。

铁电存储器有独到特性和应用前景

张欣：您如何看待铁电材料在集成电路领域的应用前景？

唐老师：目前有三种主流的铁电存储器技术：FeRAM、FeFET和FTJ，各自具有独特的特性和应用前景。目前FTJ的存储成熟度相对较低，因此研究和开发主要集中在FeRAM和FeFET上，这两种技术更接近实际应用和产业化。

FeRAM，即基于电容型的铁电存储器，因其与现有DRAM结构的相似性而最接近产业化应用。它旨在提供非易失性存储解决方案，以结合DRAM的快速访问和低功耗特性，特别适合需要频繁刷新的场景。FeFET，即基于晶体管型的铁电存储器，是我们团队的研究重点。这种存储器以其高集成密度、快速操作和低功耗而受到关注。FeFET的优势在于其三端器件的设计，这使得它非常适合用于存算一体、神经形态计算和安全应用等先进领域。此外，FeFET支持非破坏性读取，允许在不重写的情况下进行数据读取，这在提高存储效率方面是一个显著优势。FTJ即基于隧穿结的铁电存储器，目前主要处于前沿研究阶段。FTJ面临的主要挑战是其较小的读电流，这限制了其速度潜力。尽管如此，FTJ在神经形态计算等低功耗应用中显示出巨大潜力。

铁电存储研究中遇到的挑战

张欣：在FeFET的研究中，您的团队遇到了哪些挑战？ 

唐老师：目前来说，FeFET面临的最大挑战是耐久性问题，即在反复编程和擦写后性能衰减。我们发现，界面电场过高是导致这一问题的主要原因，这需要系统性的优化。尽管FeFET器件在读写速度和功耗方面具有显著优势，但其耐久性问题一直是制约其广泛应用的主要障碍。团队在这方面发现FeFET耐久性问题的核心原因就是因为它在界面处写操作的时候，电场非常的高，可以高到大概10兆伏每厘米，基本上已经超过了氧化硅的击穿电场了，所以这就会导致器件在循环过程中积累很多的电荷，同时在一定程度之后，它还会导致界面层的击穿最终导致器件的失效。团队在这一领域取得了突破性成果，通过铁电-界面协同优化，显著提升了FeFET器件的耐久性。

张欣：对于铁电器件，它就是通过局域电场让铁电发生翻转来实现0和1的表征。对于这个问题，岂不是铁电材料与生俱来的吗？

老师：铁电材料的极化状态通常需要电场的作用才能翻转，而在铁电场效应晶体管（FeFET）中，这一现象尤为显著。FeFET的大部分电场实际上并不是直接作用于铁电层，而是集中在铁电层与沟道之间的1至2纳米的界面上。通过电荷连续性方程的计算，我们可以发现，该界面处的电场强度远高于传统金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的界面电场。在FeFET中，这种效应会被进一步放大，因此，要解决这一问题，需要从多个角度进行全面的考量，包括铁电材料本身对电场的响应，以及界面结构和界面缺陷对电场分布的影响。

铁电材料因其独特的物理特性，在集成电路、传感器、驱动器、热学器件以及光电探测器等多个领域展现出巨大的应用潜力。尤其是在大数据和人工智能技术迅速发展的今天，铁电材料的高性能特性使其成为推动技术进步的关键因素。

测量方法及测量表征建议

张欣：如果要做FeFET测试和表征的话，需要有哪些量测方法？

唐老师：这个器件的测试，当然是有很多不同的角度的测试，包括像转移曲线Id-Vg的测试、读写速度的测试、耐久性测试、保持性测试，以及还需要在阵列方面读写、串扰方面的一些测试。

转移曲线（Id-Vg）测试是测量器件在不同栅极电压下的电流-电压特性，以评估其开关特性和阈值电压。读写速度测试，用来评估FeFET在实际工作条件下的响应速度。耐久性测试通过反复进行编程和擦写操作，评估器件的长期稳定性和可靠性。保持性测试测量器件在无电源条件下保持存储状态的能力。阵列读写和串扰测试，评估在大规模集成时，器件之间的相互影响和串扰问题。

张欣：在FeFET的电学表征和测量方面，您有哪些经验和建议？

唐老师：我们需要精确测量FeFET在快速操作下的电流和电荷，这要求测试设备具备高速度和高精度。我们通常使用AWG、半导体参数分析仪和高带宽示波器来进行这些测试。

主要涉及四类产品。第一类是任意波形发生器（AWG），用于产生各种测试信号，特别是高速脉冲，用于测量极化翻转速度等动力学性能；第二类是半导体参数分析仪，如4200A-SCS，用于测量FeFET的电学特性，例如Ig-Vd，并搭载源测量单元（SMU）或脉冲测量单元（PMU）进行WRITE、READ操作，多用于可靠性和保持性的测试；另外，测量非常高速的信号还要用到高带宽示波器，尤其是当需要表征铁电材料的动态行为，如亚纳秒级别的快速响应时；除了这三项关键设备，在进行阵列测试中还需要使用到这个矩阵开关，以便能够快速选择并测试阵列中的单个器件，而不需要手动逐一连接。

总结来说，FeFET的测试和表征需要一系列精密的设备和细致的测试方法，以确保能够全面评估其电学性能和可靠性。随着技术的发展和阵列规模的增大，测试过程的自动化将变得越来越重要。

未来商业化仍充满挑战

张欣：那像铁电FeFET目前还是在实验室处于科研的阶段。未来商业化量产可能会在什么样的时间节点？

唐老师：预测FeFET的商业化时间表存在难度，因为产业发展的不确定性较高。比较近期最有可能实现商业化应用的应该是NAND型FeFET，尤其是在三维存储器领域，如FlashNAND技术。但是即便在NAND型FeFET中，仍面临诸多技术挑战，包括缩小尺寸后的可靠性、耐久性、保持性，以及阵列中的各种串扰问题。

在未来5年内，FeFET可能会在嵌入式非易失性存储器领域找到应用，尽管这一市场相对较小，竞争激烈。FeFET可能需要5到10年的时间才能实现大规模商业化生产。长期来看，希望FeFET能够进入更大的市场，并成为主流的存储器技术。