北京
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（来源：电子技术应用ChinaAET）
9月25日消息，西安电子科技大学郝跃院士团队联合香港城市大学和复旦大学在纤锌矿铁电材料耐久性问题上取得突破。
铁电存储器利用材料中原子尺度的极化方向记录信息。以氮化铝钪为代表的纤锌矿氮化物铁电材料因结构高度有序、与现有芯片制造工艺兼容，被视为下一代非易失性存储器的候选材料。但这类材料在反复读写中耐久性不足，完全极化翻转条件下已有器件通常在约一亿次循环后失效。
注：纤锌矿是一种晶体结构类型，氮化铝钪等氮化物铁电材料即采用该结构，其晶体中原子按特定规律排列。
▲ 氮空位限域稳定缺陷拓扑实现纤锌矿铁电超高耐久性机理图
此前研究人员已观察到漏电增加、铁电性能退化等失效现象，但循环电场作用下材料内部缺陷如何运动、演化并最终导致器件失效，始终缺乏清晰的微观图景。
韩根全、周久人教授团队综合运用电输运分析、电子叠层衍射成像、电子能量损失谱、几何相位应变分析及第一性原理计算等手段，在原子尺度追踪缺陷动态演化，将焦点锁定于“氮空位”。
团队发现，循环电场持续驱动氮空位重新分布、局域团聚和长程迁移。这一过程导致两条失效路径：氮空位长程渗流迁移促进贯穿薄膜厚度方向的漏电通道形成，最终诱发硬击穿；氮空位的局域重构与极化相关晶格重取向耦合，导致存储极化信号逐渐退化。
▲ 氮空位再分布和晶界连接渗流促使体相纤锌矿铁电 AlScN 击穿
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缺陷调控方案与测试结果
基于上述机制，团队提出“氮空位拓扑稳定”的缺陷调控概念，并设计空间与能量协同的双重干预方案。空间维度上，构筑氮化铝钪 / 氮化铝铁电超晶格结构，利用周期性插入的氮化铝层阻挡氮空位沿薄膜厚度方向的长程迁移。能量维度上，引入动态恢复方法，促使已局域聚集的氮空位重新分布。
两种手段协同作用，维持了氮空位空间构型在长期电应力下的稳定性。测试显示，该方案制备的超晶格器件在保持完全极化翻转条件下，实现超过 100 亿次循环耐久性，与此前纪录相比提升约两个数量级；器件经历 10 亿次循环后存储信号衰减控制在 3% 以内。
▲ AlScN / AlN 超晶格中氮空位限域实现百亿循环耐久性
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研究意义与成果发表
周久人表示，过去优化寿命更多依赖更换材料配方、调整工艺参数，现在有了清晰的微观物理图像，可以有针对性地设计调控方案，该框架对同类纤锌矿铁电材料均有参考价值。
▲ AlScN / AlN 超晶格中 AlN 中间层的空间限域抑制介电击穿
研究论文已于 9 月 11 日发表在国际学术期刊《Science》上，西安电子科技大学为第一完成单位，集成电路学部 2025 级博士研究生王瑞清、杭州研究院研究员朱峰为第一作者，韩根全教授、周久人教授为通讯作者，香港城市大学和复旦大学为合作单位。
▲ 恢复驱动的能量限域抑制氮空位聚集稳定铁电极化
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