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通过厚度调控抑制Hf0.2Zr0.8O2薄膜在电循环中的相变
Suppressing Phase Transition in Antiferroelectric Hf0.2Zr0.8O2 Films During Electrical Cycling by Thickness Scaling
| 作者 | Haoji Qian · Rongzong Shen · Minglei Ma · Miaomiao Zhang · Xiaoxi Li · Yian Ding |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年9月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 反铁电-铁电相变 氧化锆基器件 厚度缩放 晶粒边界 可靠性提升 |
语言:
中文摘要
在电循环过程中，反铁电（AFE）到铁电（FE）的相变（PT）会降低氧化锆（ZrO₂）基反铁电器件的储能性能和存储可靠性，限制了它们在微电子领域的应用。在这项工作中，我们研究了20%铪（Hf）掺杂的ZrO₂（Hf₀.₂Zr₀.₈O₂）反铁电薄膜在电循环过程中极化特性随厚度的演变。厚度缩放能有效抑制反铁电到铁电的相变，经过10⁸次电循环后，10纳米、8纳米和6纳米的Hf₀.₂Zr₀.₈O₂薄膜的相变程度分别为86.2%、27.9%和8.0%。结构分析表明，从10纳米到6纳米，微晶尺寸减小了43.58%，从而增加了微晶边界密度。增强的边界密度有助于阻断铁电相扩散，抑制长程铁电有序的形成。这些发现揭示了一种由微晶边界介导的抑制反铁电到铁电相变的机制，为提高用于储能和嵌入式存储应用的ZrO₂基反铁电器件的可靠性提供了见解。
English Abstract
Antiferroelectric (AFE) to ferroelectric (FE) phase transition (PT) during electrical cycling degrades the energy storage performance and memory reliability of zirconium oxide (ZrO2)-based AFE devices, confining their applications in microelectronics. In this work, we investigate the thickness-dependent evolutions of polarization characteristics in 20% Hf-doped ZrO2 (Hf0.2Zr0.8O2) AFE films during electrical cycling. Thickness scaling effectively suppresses the AFE-to-FE PT, with phase transformation degrees of 86.2%, 27.9%, and 8.0% for 10-, 8-, and 6-nm Hf0.2Zr0.8O2 films, respectively, after 108 electrical cycles. Structural analysis indicates a 43.58% reduction in crystallite size from 10 to 6 nm, increasing the crystallite boundary density. The enhanced boundary density helps interrupt FE phase diffusion, inhibiting the formation of long-range FE orders. These findings highlight a crystallite boundary-mediated mechanism for AFE-to-FE PT suppression, offering insights to enhance the reliability of ZrO2-based AFE devices for energy storage and embedded memory applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源储能系统和功率电子产品的技术演进角度看，这项关于反铁电氧化铪锆薄膜的研究具有重要的前瞻价值。该研究通过厚度调控有效抑制了反铁电到铁电的相变退化，为高可靠性储能器件和嵌入式存储器提供了新的材料解决方案。
对于阳光电源的储能业务，这项技术的潜在价值体现在两个层面。首先，反铁电材料具有优异的能量密度和快速充放电特性，若能实现器件级应用，可为储能系统提供新型电容储能方案，补充现有锂电池技术路线。研究中6纳米薄膜在10⁸次循环后仅8%的相变度，展现出卓越的循环稳定性，这对提升储能系统寿命至关重要。其次，该材料在嵌入式存储器领域的应用前景，可能为逆变器和储能变流器中的控制芯片提供更高性能的非易失性存储解决方案，提升系统响应速度和可靠性。
从技术成熟度评估，该研究仍处于基础材料科学阶段，距离工程化应用存在显著距离。主要挑战包括：纳米级薄膜的大规模制备工艺、与现有半导体工艺的兼容性、器件集成后的热管理问题，以及成本控制等。然而，研究揭示的晶界密度调控机制为材料优化提供了清晰路径，这种机理层面的突破具有重要指导意义。
对阳光电源而言，建议保持对氧化物基储能和存储技术的持续跟踪，适时通过产学研合作介入关键技术节点，为未来5-10年的功率电子器件升级和新型储能技术储备做好技术布局，巩固在新能源领域的技术领先优势。