北京大学彭海琳课题组，最新Science！

晶圆级二维铁电材料问世，0.8 V 存储器跑出万亿次寿命

在后摩尔时代，器件尺寸不断逼近物理极限，传统存储与计算架构正面临功耗、速度与可靠性难以兼顾的困境。铁电场效应晶体管（FeFET）因兼具非易失存储与逻辑计算潜力，被视为下一代嵌入式存储与存算一体架构的重要候选。然而，真正实现高密度、低功耗 FeFET 的关键，在于铁电层必须足够“薄”且“均匀”——当厚度缩减至 5 nm 甚至原子级尺度时，传统铁电氧化物往往因界面去极化、电荷俘获和结构无序而性能急剧退化。如何在晶圆尺度上制备亚 5 nm、仍保持稳定铁电性的材料，一直是该领域的核心难题。

今日，北京大学彭海琳教授和刘洪涛研究员提出了一条全新的解决路径：通过原位可控氧化二维半导体 Bi₂O₂Se，在 400 °C 以下直接生长出超薄、均匀的范德华铁电氧化物 α-Bi₂SeO₅。该材料在单层厚度下仍保持稳定铁电性，且天然具备无悬挂键、原子级平整界面，可与二维半导体无缝集成。基于这一材料体系，团队在晶圆尺度上构建了 Bi₂SeO₅-Bi₂O₂Se 铁电晶体管阵列，实现 0.8 V 超低工作电压、20 ns 写入速度以及超过 1.5×10¹² 次循环寿命，多项指标刷新二维 FeFET 纪录，为低功耗存算一体和三维集成芯片提供了关键材料基础。相关成果以“Wafer-scale ultrathin and uniform van der Waals ferroelectric oxide”为题发表在《Science》上。武钦慈、李忠睿、韩秉辰、孙玮玉、Qinyun Liu和薛骋远为共同第一作者。

α-Bi₂SeO₅ 的铁电起源首先体现在其独特的原子结构中。该材料属于正交晶系，沿特定晶向呈现层状范德华结构，由 Bi₂O₂ 层与 Se-O 多面体交替堆叠而成（图1a）。这种结构天然不存在悬挂键，使得材料即使在原子级厚度下，也不会像传统铁电薄膜那样因界面缺陷而丧失极化稳定性。理论与实验共同表明，Bi³⁺ 的 6s² 孤对电子诱导了明显的原子位移，使体系形成双势阱铁电能景观（图1b），为稳定的自发极化奠定基础。为了在实验上直接“看到”铁电翻转过程，研究团队采用原位偏压的扫描透射电镜，对 α-Bi₂SeO₅ 在电场作用下的原子运动进行了实时观测。结果显示，在正、反极化状态下，Bi 与 Se 原子发生可逆位移（图1c、1d），位移幅度达到 0.1 Å 量级，清晰证明该材料在超薄极限下仍具备真实、可翻转的铁电性，而非界面或缺陷诱导的伪效应。

在材料制备层面，团队提出了一种“以半导体为模板”的原位氧化策略。首先通过化学气相沉积在蓝宝石基底上制备大面积二维 Bi₂O₂Se 薄膜，随后在 320–400 °C 条件下进行逐层氧化，使其转化为厚度可控的 Bi₂SeO₅-Bi₂O₂Se 异质结构（图1e）。这种方法避免了传统转移或原子层沉积带来的界面损伤，使铁电层与半导体通道之间形成原子级连续、平整的本征界面。AFM 与二次谐波成像结果显示，4 英寸晶圆范围内厚度波动低于 5%（图1f），为大规模器件一致性打下基础。

图1：α-Bi₂SeO₅ 的晶体结构、铁电能景观、原子级极化翻转过程及晶圆级均匀性

在铁电性能表征中，单层 Bi₂SeO₅ 即展现出同时存在的面外与面内铁电性。压电力显微镜测量得到清晰的翻转回线与畴结构写入结果（图2a–d），且在不同衬底上重复实验均表现稳定，说明其铁电性不依赖特定界面。更重要的是，该材料几乎不存在“临界厚度”效应，从单层到多层，剩余极化值变化极小（图2h），这一特性在已报道铁电体系中极为罕见。宏观电学测试进一步凸显了 α-Bi₂SeO₅ 的优势。电容-电压测试显示其介电常数约为 24，居于二维铁电材料前列（图2e），居里温度高达 880 K（图2f），意味着器件在高温工况下仍能稳定工作。通过抑制漏电流的 PUND 测量，团队在单层样品中提取出高达 22 μC cm⁻² 的剩余极化和适中的矫顽场（图2g），性能全面超越多数超薄铁电体系。

图2：超薄 Bi₂SeO₅ 的铁电性能，包括极化翻转、介电常数、居里温度与厚度依赖关系

基于上述材料优势，研究团队在 2 英寸晶圆上构建了超过一万只 Bi₂SeO₅-Bi₂O₂Se FeFET 器件（图3a）。统计结果显示，器件间阈值电压离散度低于 5%，在 1 V 工作电压下即可获得超过 10⁶ 的开关比和 0.9 V 的存储窗口（图3b、3c）。在进一步降低电压的情况下，器件依然可在 ±0.8 V、20 ns 脉冲条件下稳定写入，并在 1.5×10¹² 次循环后保持性能不退化（图3d、3e），刷新了二维 FeFET 的耐久性纪录。

图3：晶圆级 FeFET 阵列的器件性能、低电压操作与超高循环寿命

这种超强可靠性并非偶然。原子分辨电镜结果表明，即使经历万亿次翻转，Bi₂SeO₅-Bi₂O₂Se 界面仍保持完整（图4a–c）。理论计算揭示，界面处的 Bi₂O₂ 层可在翻转过程中实现自发电荷补偿，抑制缺陷累积（图4e），从根源上避免了传统 FeFET 中常见的疲劳失效机制。

图4：器件抗疲劳机理及原子尺度界面稳定性分析

在电路层面，研究进一步展示了该体系在低功耗逻辑-存储融合中的潜力。通过调控极化状态，同一FeFET 可在“普通晶体管”与“非易失存储单元”之间自由切换，构建出亚 1 V 工作的可重构逻辑-存储反相器（图5）。器件不仅能记忆逻辑状态，还可在不刷新条件下完成逻辑运算，展现出面向边缘计算与类脑计算的应用前景。

图5：基于 FeFET 的亚 1 V 可重构逻辑-存储电路演示

小结

该研究首次在晶圆尺度上实现了原子级厚度、稳定铁电性的范德华氧化物材料，并完成了与二维半导体的低温、无损集成，系统性解决了超薄铁电材料在均匀性、界面可靠性和功耗方面的关键瓶颈。0.8 V 工作电压、万亿次循环寿命和优异一致性，使 Bi₂SeO₅ 成为后摩尔时代 FeFET 与存算一体架构中极具竞争力的新平台。未来，这一范德华铁电体系有望进一步拓展至三维集成芯片和神经形态计算，为低功耗智能硬件提供关键材料支撑。