Science Advances：新一代存储技术的突破

浦项工科大学李章植教授的团队最大限度地提高了基于铪的铁电存储器件的效率。

　　

浦项工业大学材料科学工程系和半导体工程系教授Jang-Sik Lee的研究小组，在铁电存储器的数据存储容量方面取得了巨大的进步。他们的研究结果发表在6月7日的国际期刊《科学进展》(Science Advances)上，通过利用基于哈弗尼亚的铁电材料和一种创新的器件结构，标志着存储技术的重大进步。 

随着电子技术和人工智能(AI)的进步，数据的生产和处理呈指数级增长，数据存储技术的重要性急剧上升。NAND闪存是目前最流行的大规模数据存储技术之一，它通过将单元以三维结构而不是平面结构堆叠在一起，可以在同一区域存储更多的数据。然而，这种方法依赖于电荷陷阱来存储数据，这会导致更高的工作电压和更慢的速度。 

近年来，基于铪的铁电存储器作为一种有前途的新一代存储技术而崭露头角。氧化铪(Hafnia)使铁电存储器能够在低电压和高速下运行。然而，一个重要的挑战是多级数据存储的内存窗口有限。 

浦项工科大学的Jang-Sik Lee教授团队通过引入新材料和新器件结构解决了这个问题。他们通过在铁电材料中掺杂铝，创造出高性能的铁电薄膜，从而增强了基于铪的存储器件的性能。此外，他们用一种创新的金属-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，在这种结构中，组成器件的金属和铁电材料被简单地排列起来。 

该团队通过调整铁电层的电容成功地控制了每层的电压，这涉及到微调因素，如金属对金属和金属对通道铁电层的厚度和面积比。这种有效地利用外加电压来开关铁电材料，提高了器件的性能并降低了能耗。 

传统的基于铪的铁电器件通常具有约2伏(V)的存储窗口。相比之下，研究小组的器件实现了超过10伏的存储窗口，从而实现了四能级电池(QLC)技术，该技术可以在每个晶体管中存储16级数据(4位)。在超过一百万次循环后，它还显示出高稳定性，工作电压为10 V或更低，明显低于NAND闪存所需的18 V。此外，该团队的存储设备在数据保存方面表现出稳定的特征。 

NAND闪存使用增量步进脉冲编程(ISPP)对其存储状态进行编程，这导致编程时间长，电路复杂。相比之下，该团队的设备通过控制铁电极化开关，通过一次编程实现快速编程。 

浦项工科大学李章植教授表示:“我们为克服现有存储设备的局限性奠定了技术基础，并为以铪为基础的铁电存储器提供了新的研究方向。”他还表示:“通过后续研究，将开发出低功耗、高速、高密度的存储设备，为解决数据中心和人工智能应用中的电源问题做出贡献。” 

此次研究得到了科学信息通信技术部下一代智能半导体技术开发事业(韩国研究财团)和三星电子的支持。