Wurtzite AlScN/AlN 超晶格型铁电材料实现百亿次以上循环寿命

Wurtzite 型铁电材料正快速成长为下一代非易失性存储器技术的热门材料类，由于其大的余极极化、具有有序的三维晶体结构，以及完全兼容 CMOS 工艺和后端线集成（BEOL）而受到青睞。然而，其实际应用仍受到严重的耐久性瓶颈的严格限制：在余极极化（2Pr）达到或超过 200 μC/cm² 时，器件通常在达到 10⁸ 次循环前就会发生灾难性失效。本文报道了一种空位约束超晶格策略，旨在解决这一限制，实现了在保持饱和极化（2Pr ≥ 200 μC/cm²）的同时，实现可靠的铁电开关，循环寿命可超过 10¹⁰ 次。通过在 AlScN 薄膜中嵌入周期性超薄 AlN 层，形成 wurtzite AlScN/AlN 超晶格，并结合一种动态恢复协议，在反复循环过程中主动稳定缺陷景观。原子分辨率成像和 EELS 光谱成像技术，辅以第一性原理计算，揭示了一种自调节的缺陷拓扑结构，其中氮空位被异质结构能垒所空间约束，并动态重新捕获到能量最优的晶格位点。这种双重的空间-能量约束机制有效抑制了长范围的渗透性迁移和局部缺陷聚集，从而实现了超过 10¹⁰ 次的超高耐久性，并将 10⁹ 次循环后的极化降解限制在 3% 以下。这些发现确立了氮空位拓扑稳定化作为可靠运行 wurtzite 铁电材料的基础设计原则，为未来高耐久铁电存储器技术提供了一个可扩展且兼容 CMOS 的平台。