经过 浦项科技大学
研究小组显着提高了铁电存储器件的数据存储能力。通过利用铪基铁电材料和创新的器件结构，他们的研究结果于 6 月 7 日发表在期刊上 科学进步， 标志着内存技术的重大进步。该团队由浦项科技大学（POSTECH）材料科学与工程系和半导体工程系的 Jang-Sik Lee 教授领导。
由于电子和人工智能 (AI) 的进步，数据生产和处理呈指数级增长，数据存储技术的重要性也随之激增。 NAND 闪存是最流行的海量数据存储技术之一，通过以三维结构而非平面结构堆叠单元，可以在同一区域存储更多数据。然而，这种方法依赖电荷陷阱来存储数据，这会导致工作电压更高、速度更慢。
最近，基于铪的铁电存储器已成为一种有前途的下一代存储器技术。 Hafnia（氧化铪）使铁电存储器能够在低电压和高速下运行。然而，一个重大挑战是多级数据存储的内存窗口有限。
浦项科技大学李教授的团队通过引入新材料和新颖的器件结构解决了这个问题。他们通过在铁电材料中掺杂铝来提高基于铪的存储器件的性能，形成高性能铁电薄膜。
此外，他们还用创新的金属-铁电-金属-铁电-半导体（MFMFS）结构取代了传统的金属-铁电-半导体（MFS）结构，其中构成器件的金属和铁电材料排列简单。
该团队通过调整铁电层的电容成功地控制了每层的电压，其中涉及金属与金属和金属与沟道铁电层的厚度和面积比等微调因素。这种有效利用施加电压来切换铁电材料的方式提高了设备的性能并降低了能耗。
传统的铪基铁电器件通常具有 2 伏 (V) 左右的存储窗口。相比之下，研究团队的器件实现了超过 10 V 的存储窗口，从而实现了四级单元 (QLC) 技术，该技术可在每个单元晶体管存储 16 级数据（4 位）。它还在超过一百万个周期后表现出高稳定性，并在 10 V 或更低的电压下运行，显着低于 NAND 闪存所需的 18 V。此外，该团队的存储设备在数据保留方面表现出稳定的特性。
NAND 闪存使用增量步进脉冲编程 (ISPP) 对其存储状态进行编程，这会导致编程时间较长且电路复杂。相比之下，该团队的器件通过控制铁电极化极化切换，通过一次性编程实现了快速编程。
浦项科技大学的Lee教授评论道：“我们为克服现有存储器件的局限性奠定了技术基础，并为基于铪的铁电存储器提供了新的研究方向。”他补充道：“通过后续研究，我们的目标是开发低功耗、高速、高密度的存储器件，为解决数据中心和人工智能应用中的功耗问题做出贡献。”
更多信息： Ik-Jyae Kim 等人，在基于铪的铁电晶体管中解锁大内存窗口和每单元 16 级数据内存操作， 科学进步 （2024）。 DOI：10.1126/sciadv.adn1345
期刊信息： 科学进步
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