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储能系统技术 工商业光伏 ★ 4.0

基于多功能MoOx/TiON层的高存储、低变异性、低功耗读写后读取超晶格HfO2/ZrO2铁电场效应晶体管存储器件

High-Storage, Low-Variability, and Low-Power Read-After-Write Superlattice HfO2/ZrO2 FeFET Memory Device by Using a Multifunctional MoOx/TiON Layer

作者 Zheng-Kai Chen · Miau-Hua Hsiung · Zi-Rong Huang · Sheng-Min Wang · Cheng-Rui Liu · Yu-Ting Chen
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年5月
技术分类 储能系统技术
技术标签 工商业光伏
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 铁电晶体管技术 HfO2/ZrO2结构 电荷陷阱与漏电流 存储性能 热稳定性
语言:

中文摘要

在本研究中,我们提出了一种与现有商用半导体器件完全兼容的多功能栅极氧化物铁电晶体管技术。与单电极不同,该电极采用了 TiN/Mo(30 纳米)/TiN 阻挡层(BL - TiN)(2.5 纳米)结构,其绝缘体由埃级层叠的 HfO₂/ZrO₂ 结构组成,每层厚度为 6.5 埃。基于界面态密度($D_{\text {it}}$)和 X 射线光电子能谱(XPS)结果,MoOx/TiOxNy 层的引入极大地抑制了金属 - 铁电体 - 绝缘体 - 半导体(MFIS)铁电场效应晶体管(FeFET)的电荷俘获和漏电流。缺陷的大幅减少实现了低电压下的即写即读功能,并分别使擦除(ER)和编程(PG)速度显著提高了 61%和 43%。此外,扫描电子显微镜(SEM)和掠入射 X 射线衍射(GIXRD)分析证实,该层上形成了更小的 HZO 晶粒,这增强了极化翻转的均匀性,实现了每单元 3 比特 [三级单元(TLC)] 操作的高存储密度,最小化了器件间(DtD)的差异,并实现了超过 $10^{9}$ 次循环的出色耐久性。值得注意的是,低界面缺陷且高度有序的 HfO₂/ZrO₂ 结构已被证明能有效提高热稳定性,并在 108.9°C 下实现了十年的数据保留,超过了当前工业动态随机存取存储器(DRAM)95°C 的标准。这项技术为未来神经形态网络设计的应用奠定了基础。

English Abstract

In this study, we present a multifunctional gate oxide ferroelectric transistor technology fully compatible with existing commercial semiconductor devices. In contrast to single electrodes, this electrode employs a TiN/Mo (30 nm)/barrier layer of TiN (BL-TiN) (2.5 nm), with an insulator composed of an angstrom-laminated HfO2/ZrO2 structure, featuring each layer of 6.5Å thickness. Based on D_ it and x-ray photoelectron (XPS) results, the inclusion of MoOx/TiOxNy layer highly suppresses trapping charges and leakage current of metal-ferroelectric-insulator-semiconductor (MFIS)-ferroelectric field-effect transistor (FeFET). The substantial defect reduction enables low-voltage immediate read-after-write and significantly enhances erase (ER) and program (PG) speeds by 61% and 43%, respectively. Furthermore, SEM and grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD) analyses confirm the formation of smaller HZO grains on this layer, which enhances polarization switching uniformity, enables high storage density with 3 bits/cell [triple-level cell (TLC)] operation, minimizes device-to-device (DtD) variability, and achieves exceptional endurance exceeding 10^9 cycles. Notably, the low-interface-defect and mass-ordered HfO2/ZrO2 structure has been demonstrated to effectively enhance thermal stability, and achieved a ten-year retention at 108.9~^ C, exceeding the current industrial dynamic random access memory (DRAM) standard of 95~^ C. This technology establishes a foundation for the application in future neuromorphic network designs.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于HfO2/ZrO2超晶格结构的铁电场效应晶体管(FeFET)存储技术虽然属于半导体存储领域,但其核心性能突破对我司光伏逆变器和储能系统的智能控制芯片具有重要的潜在应用价值。

该技术通过引入MoOx/TiOxNy多功能层实现的三大技术突破与我司产品需求高度契合:首先,10^9次以上的超高擦写寿命和108.9°C的十年数据保持能力,显著超越当前工业级存储器标准,这对于光伏逆变器和储能变流器等需要在高温环境下长期可靠运行的电力电子设备至关重要。其次,3比特/单元的高存储密度和低功耗即时读写特性,可有效支撑我司新一代智能逆变器中MPPT算法、电网自适应控制等复杂算法的本地化实时处理需求,减少对外部存储的依赖。第三,该技术展示的神经形态网络应用潜力,与我司在储能系统AI优化调度、虚拟电厂智能管理等前沿方向的战略布局形成呼应。

然而,该技术目前仍处于实验室验证阶段,距离商业化应用存在明显差距。主要挑战包括:与现有功率半导体工艺的集成兼容性验证、车规级和工业级全温域性能表征、以及大规模量产的成本控制。对阳光电源而言,建议保持技术跟踪,适时与半导体厂商开展联合开发,探索在下一代高算力边缘控制器中的定制化应用,为构建更智能、更可靠的新能源系统奠定芯片级技术基础,巩固系统集成的核心竞争力。