铁电鳍式二极管（FFD）用于高鲁棒性非易失性存储器的研究进展

作者及发表信息
本研究的通讯作者为Bobo Tian（华东师范大学），合作团队来自华东师范大学、浙江大学实验室、复旦大学、中南大学、上海交通大学等多家机构，并有法国巴黎萨克雷大学参与。论文于2024年发表在*Nature Communications*（DOI: 10.1038/s41467-024-44759-5）。

学术背景
在人工智能和大数据时代，高密度交叉阵列存储器是实现存内计算（in-memory computing）的关键。当前非易失性存储器（如铁电电容器、隧道结、场效应晶体管）存在读写破坏性、耐久性不足或器件间差异大等问题。本研究提出了一种新型铁电鳍式二极管（Ferroelectric Fin Diode, FFD），通过结合铁电电容器与鳍式半导体通道，兼具非破坏性读取、高耐久性和低功耗特性，旨在为高密度存储和存内计算提供新解决方案。

研究流程与方法
1. 器件设计与制备
- 结构设计：FFD采用两端结构，铁电层（如有机P(VDF-TrFE)聚合物或无机PZT）与鳍式ZnO通道共享上下电极（图1d）。通过共享电极简化结构，同时利用肖特基势垒（Schottky barrier）调控电场分布。
- 制备工艺：
- 有机FFD：在SiO₂/Si基底上溅射Pt底电极，旋涂P(VDF-TrFE)铁电聚合物，蒸镀Al顶电极，最后溅射ZnO通道（图2a）。
- 无机FFD：采用工业级PZT薄膜，通过光刻和离子刻蚀实现纳米级电极图案化（图S9）。
- 纳米器件验证：通过电子束光刻制备30 nm宽Al电极的FFD，证实其可扩展性（图4e-f）。

1. 性能表征

   • 铁电性验证：通过压电力显微镜（PFM）观测P(VDF-TrFE)的蝴蝶形振幅回线和180°相位翻转（图2g-i），X射线衍射（XRD）确认β相结晶性（图2f）。
     
   • 电阻开关特性：
     
     • 极化驱动机制：铁电畴翻转通过横向电场调制ZnO通道的载流子密度，实现高/低导态（HCS/LCS）切换（图3）。P(VDF-TrFE)器件开关比达10²，自整流比10⁴（图3a）。
       
     • 温度依赖性：铁电-顺电相变（Tc=380 K）时电阻开关消失，证实极化主导机制（图3b-c）。
       
   • 耐久性与速度：PZT基FFD耐久性达10¹⁰次，操作速度100 ns，能耗~20 fJ（图4a-b）。
     

2. 存内计算演示

   • 模拟存储：通过多级极化态实现26个离散电导态，模拟突触可塑性（图5d-g）。
     
   • 硬件实现：构建1.6k单元的被动交叉阵列，完成模式分类任务（图6）。器件间均匀性高（σ/μ≈0.02），噪声容限良好（图6c-k）。
     

主要结果与逻辑链条
1. 极化调控电阻开关：TCAD模拟显示，肖特基接触引入的横向电场使铁电畴倾斜排列（图3h,k），极化电荷调制ZnO通道电阻，验证了非破坏性读取机制。
2. 材料普适性：有机P(VDF-TrFE)与无机PZT均实现高性能，证明FFD结构通用性（图4）。
3. 存内计算潜力：交叉阵列中并行乘加运算（MAC）通过欧姆定律和基尔霍夫定律实现，识别准确率达92.6%（图5i）。

结论与价值
1. 科学价值：FFD创新性地融合了铁电电容器与非易失性二极管的优势，解决了传统铁电场效应晶体管（FeFET）的均匀性问题，为铁电存储器设计提供了新范式。
2. 应用前景：其高密度（4F²单元）、低能耗和高速特性适合存算一体芯片，有望推动人工智能硬件发展。

研究亮点
1. 结构创新：两端共享电极设计简化工艺，自整流特性抑制串扰。
2. 性能突破：耐久性（10¹⁰次）和速度（100 ns）超越现有存储器（表S1）。
3. 多材料兼容性：有机/无机铁电材料均适用，提升技术落地可行性。

其他价值
- 提出的TCAD模型为器件优化提供理论工具（图3f-k）。
- 30 nm特征尺寸验证了FFD的纳米级 scalability（图4e-f）。

（注：全文术语首次出现时标注英文，如“存内计算（in-memory computing）”“肖特基势垒（Schottky barrier）”）