【對(duì)話前沿專家】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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隨著人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)算力和存儲(chǔ)的需求日益增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的計(jì)算架構(gòu)逐漸顯露出局限性，這促使學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界開始探索新的計(jì)算架構(gòu)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(chǔ)和計(jì)算領(lǐng)域的潛在應(yīng)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(yīng)用前景。在這次訪談交流中，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(tuán)隊(duì)在鐵電材料和器件研究方面的最新成果，并探討了當(dāng)前研究的難點(diǎn)痛點(diǎn)以及未來可能的解決之道。

唐克超老師團(tuán)隊(duì)專注于鐵電材料及其存儲(chǔ)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(chǔ)器應(yīng)用中一個(gè)核心的挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是優(yōu)化鐵電存儲(chǔ)器的性能，研究涉及鐵電耐久性原理研究、耐久性優(yōu)化和存儲(chǔ)密度以及陣列的制備等方面。

鐵電存儲(chǔ)器有獨(dú)到特性和應(yīng)用前景

張欣：您如何看待鐵電材料在集成電路領(lǐng)域的應(yīng)用前景？

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

FeRAM，即基于電容型的鐵電存儲(chǔ)器，因其與現(xiàn)有DRAM結(jié)構(gòu)的相似性而最接近產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。它旨在提供非易失性存儲(chǔ)解決方案，以結(jié)合DRAM的快速訪問和低功耗特性，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(chǔ)器，是我們團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)。這種存儲(chǔ)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(shì)在于其三端器件的設(shè)計(jì)，這使得它非常適合用于存算一體、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算和安全應(yīng)用等先進(jìn)領(lǐng)域。此外，F(xiàn)eFET支持非破壞性讀取，允許在不重寫的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，這在提高存儲(chǔ)效率方面是一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。FTJ即基于隧穿結(jié)的鐵電存儲(chǔ)器，目前主要處于前沿研究階段。FTJ面臨的主要挑戰(zhàn)是其較小的讀電流，這限制了其速度潛力。盡管如此，F(xiàn)TJ在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等低功耗應(yīng)用中顯示出巨大潛力。

鐵電存儲(chǔ)研究中遇到的挑戰(zhàn)

張欣：在FeFET的研究中，您的團(tuán)隊(duì)遇到了哪些挑戰(zhàn)？

唐老師：目前來說，F(xiàn)eFET面臨的最大挑戰(zhàn)是耐久性問題，即在反復(fù)編程和擦寫后性能衰減。我們發(fā)現(xiàn)，界面電場(chǎng)過高是導(dǎo)致這一問題的主要原因，這需要系統(tǒng)性的優(yōu)化。盡管FeFET器件在讀寫速度和功耗方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但其耐久性問題一直是制約其廣泛應(yīng)用的主要障礙。團(tuán)隊(duì)在這方面發(fā)現(xiàn)FeFET耐久性問題的核心原因就是因?yàn)樗诮缑嫣帉懖僮鞯臅r(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)超過了氧化硅的擊穿電場(chǎng)了，所以這就會(huì)導(dǎo)致器件在循環(huán)過程中積累很多的電荷，同時(shí)在一定程度之后，它還會(huì)導(dǎo)致界面層的擊穿最終導(dǎo)致器件的失效。團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域取得了突破性成果，通過鐵電-界面協(xié)同優(yōu)化，顯著提升了FeFET器件的耐久性。

張欣：對(duì)于鐵電器件，它就是通過局域電場(chǎng)讓鐵電發(fā)生翻轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)0和1的表征。對(duì)于這個(gè)問題，豈不是鐵電材料與生俱來的嗎？

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(zhuǎn)，而在鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FeFET）中，這一現(xiàn)象尤為顯著。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。通過電荷連續(xù)性方程的計(jì)算，我們可以發(fā)現(xiàn)，該界面處的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的界面電場(chǎng)。在FeFET中，這種效應(yīng)會(huì)被進(jìn)一步放大，因此，要解決這一問題，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(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)，以及界面結(jié)構(gòu)和界面缺陷對(duì)電場(chǎng)分布的影響。

鐵電材料因其獨(dú)特的物理特性，在集成電路、傳感器、驅(qū)動(dòng)器、熱學(xué)器件以及光電探測(cè)器等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。尤其是在大數(shù)據(jù)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(cè)量方法及測(cè)量表征建議

張欣：如果要做FeFET測(cè)試和表征的話，需要有哪些量測(cè)方法？

唐老師：這個(gè)器件的測(cè)試，當(dāng)然是有很多不同的角度的測(cè)試，包括像轉(zhuǎn)移曲線Id-Vg的測(cè)試、讀寫速度的測(cè)試、耐久性測(cè)試、保持性測(cè)試，以及還需要在陣列方面讀寫、串?dāng)_方面的一些測(cè)試。

轉(zhuǎn)移曲線（Id-Vg）測(cè)試是測(cè)量器件在不同柵極電壓下的電流-電壓特性，以評(píng)估其開關(guān)特性和閾值電壓。讀寫速度測(cè)試，用來評(píng)估FeFET在實(shí)際工作條件下的響應(yīng)速度。耐久性測(cè)試通過反復(fù)進(jìn)行編程和擦寫操作，評(píng)估器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性。保持性測(cè)試測(cè)量器件在無電源條件下保持存儲(chǔ)狀態(tài)的能力。陣列讀寫和串?dāng)_測(cè)試，評(píng)估在大規(guī)模集成時(shí)，器件之間的相互影響和串?dāng)_問題。

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

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

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

總結(jié)來說，F(xiàn)eFET的測(cè)試和表征需要一系列精密的設(shè)備和細(xì)致的測(cè)試方法，以確保能夠全面評(píng)估其電學(xué)性能和可靠性。隨著技術(shù)的發(fā)展和陣列規(guī)模的增大，測(cè)試過程的自動(dòng)化將變得越來越重要。

未來商業(yè)化仍充滿挑戰(zhàn)

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

唐老師：預(yù)測(cè)FeFET的商業(yè)化時(shí)間表存在難度，因?yàn)楫a(chǎn)業(yè)發(fā)展的不確定性較高。比較近期最有可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的應(yīng)該是NAND型FeFET，尤其是在三維存儲(chǔ)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(zhàn)，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?dāng)_問題。

在未來5年內(nèi)，F(xiàn)eFET可能會(huì)在嵌入式非易失性存儲(chǔ)器領(lǐng)域找到應(yīng)用，盡管這一市場(chǎng)相對(duì)較小，競(jìng)爭(zhēng)激烈。FeFET可能需要5到10年的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。長(zhǎng)期來看，希望FeFET能夠進(jìn)入更大的市場(chǎng)，并成為主流的存儲(chǔ)器技術(shù)。