大數(shù)據(jù)與AI時代對存儲技術的需求

隨著AI技術的快速發(fā)展，特別是大規(guī)模語言模型（如ChatGPT和Sora）的出現(xiàn)，對數(shù)據(jù)處理能力和存儲技術提出了全新的需求。傳統(tǒng)存儲器架構(gòu)在能效比和計算效率上的限制，逐漸成為瓶頸。如何實現(xiàn)更高效的存儲技術，以滿足大數(shù)據(jù)、AI推理與訓練的實時性和能效需求，是后摩爾時代存儲技術的核心課題。在這種背景下，以氧化鉿基鐵電材料為代表的新型存儲技術正逐步成為學術界和產(chǎn)業(yè)界的研究焦點。

鐵電材料的發(fā)展與技術背景

鐵電材料的基本定義與特性

鐵電材料是一種具有自發(fā)極化能力的材料，其極化狀態(tài)可以在外加電場作用下翻轉(zhuǎn)。其特有的極化-電場回滯特性使其與鐵磁性相似，因而得名“鐵電”。這些特性使得鐵電材料在存儲器、傳感器、驅(qū)動器以及光電探測器等領域具有廣泛的應用潛力

極化：正負電荷中心不重合

氧化鉿鐵電材料的崛起

傳統(tǒng)的鈣鈦礦類鐵電材料由于尺寸難以進一步縮小，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代集成電路對高密度與高集成度的需求。而氧化鉿（HfO?）基鐵電材料憑借其卓越的微縮能力和與現(xiàn)有CMOS工藝的兼容性，成為近年來鐵電研究的熱點材料。氧化鉿材料的出現(xiàn)標志著鐵電材料從傳統(tǒng)邁向現(xiàn)代，開啟了存儲器應用的新紀元。

FeFET：高耐久性鐵電存儲器的核心技術

FeFET的基本原理

鐵電場效應晶體管（FeFET）是一種基于鐵電材料的晶體管結(jié)構(gòu)，其工作原理是通過鐵電材料的極化狀態(tài)變化實現(xiàn)不同的存儲狀態(tài)。具體而言，柵介質(zhì)中的鐵電極化引起轉(zhuǎn)移曲線的逆時針回滯，以高低閾值電壓表示“0”和“1”狀態(tài)。

FeFET的技術優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)存儲器技術，F(xiàn)eFET具有以下優(yōu)勢：

■高存儲密度：單個存儲單元由一個晶體管構(gòu)成，可實現(xiàn)高密度集成；

■低功耗：極化翻轉(zhuǎn)所需能量低于傳統(tǒng)存儲器；

■高速性：操作速度小于20納秒，適合實時性要求高的應用場景；

■非破壞性讀取：避免數(shù)據(jù)讀取過程中對存儲狀態(tài)的破壞，提高整體存儲效率。

高耐久性氧化鉿基FeFET挑戰(zhàn)與解決方案

耐久性問題的核心挑戰(zhàn)

耐久性問題是制約FeFET大規(guī)模應用的主要障礙。唐克超教授在研究中指出，F(xiàn)eFET的耐久性通常限制在10?–10?次編程/擦寫循環(huán)，遠低于應用需求。這一問題的核心原因包括：

■界面電場過高：寫入操作中界面電場可能超過氧化鉿的擊穿電場，導致電荷注入和界面層損傷；

■電荷累積效應：反復操作過程中電荷注入導致性能逐漸退化。

高耐久性FeFET的優(yōu)化策略

鐵電-界面協(xié)同優(yōu)化

?通過改進鐵電材料與界面層的組合（如HAO鐵電層與Al?O?中間層），降低界面電場。

?使用先進的柵疊層優(yōu)化工藝，提高界面穩(wěn)定性。

反鐵電材料的引入

?結(jié)合反鐵電材料和氧化物半導體溝道，進一步降低操作電壓，實現(xiàn)高耐久性。

動態(tài)表征與機理研究

?利用DPC-STEM、HRTEM等先進表征手段，揭示電荷注入和極化翻轉(zhuǎn)的微觀機理，為材料優(yōu)化提供理論支持。

FeFET的應用場景與未來前景

嵌入式非易失性存儲

FeFET以其非易失性和高存儲密度，在嵌入式系統(tǒng)中具有廣泛應用前景。特別是在物聯(lián)網(wǎng)設備和汽車電子領域，F(xiàn)eFET能夠顯著降低功耗，延長設備壽命。其高耐久性和低功耗特點，使其成為下一代嵌入式存儲的理想選擇。

存算一體與神經(jīng)形態(tài)計算

存算一體架構(gòu)通過將存儲與計算功能集成在一個器件中，有效解決傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)中計算與存儲分離導致的瓶頸問題。FeFET的高速性和低功耗特性使其成為實現(xiàn)存算一體的理想選擇。在神經(jīng)形態(tài)計算領域，F(xiàn)eFET可用于模擬神經(jīng)元和突觸，支持復雜網(wǎng)絡的實時學習和推理，為下一代人工智能系統(tǒng)提供強大支持。

安全與隱私保護

基于FeFET的物理不可克隆函數(shù)（PUF）和真隨機數(shù)發(fā)生器（TRNG）技術，在物聯(lián)網(wǎng)和邊緣設備的安全性方面具有顯著優(yōu)勢。FeFET的高隨機性和可重構(gòu)能力，為數(shù)據(jù)加密和身份認證提供了更高的可靠性和安全性。

高密度陣列存儲與3D集成

FeFET支持多層3D集成，可以在有限的物理空間內(nèi)實現(xiàn)更高的存儲密度。這使其在數(shù)據(jù)中心和云計算領域展現(xiàn)出巨大潛力，特別是在需要處理海量數(shù)據(jù)的AI訓練中，F(xiàn)eFET的高性能表現(xiàn)能夠滿足實時性和能效比的嚴苛需求。

高速計算中的應用擴展

在高速計算中，F(xiàn)eFET的高線性度和低延遲特性使其成為解決高速數(shù)據(jù)處理需求的關鍵技術。其應用范圍包括金融數(shù)據(jù)分析、科學計算和實時圖像處理等領域。通過將FeFET集成到專用加速器中，可以顯著提高計算效率并降低整體能耗。

消費電子與邊緣計算設備

在消費電子設備中，F(xiàn)eFET存儲器可以提供更長的電池續(xù)航時間和更快的響應速度。此外，邊緣計算設備對低功耗、高可靠性的存儲器需求旺盛，F(xiàn)eFET在智能攝像頭、傳感器網(wǎng)關等設備中的應用將進一步推動其市場化。

FeFET的測試與測量需求

單器件測試

對于單個FeFET器件的測試，主要關注以下指標：

■轉(zhuǎn)移特性（Id-Vg）：反映晶體管的柵控能力和存儲窗口；

■寫入速度與能耗：衡量極化翻轉(zhuǎn)能力；

■耐久性與保持性：驗證器件的長期穩(wěn)定性。

陣列級測試

FeFET的大規(guī)模應用需要陣列測試平臺的支持。主要測試需求包括：

■編程與讀?。?/strong>驗證陣列的準確性與一致性；