大數據與AI時代對存儲技術的需求

隨著AI技術的快速發展，特別是大規模語言模型（如ChatGPT和Sora）的出現，對數據處理能力和存儲技術提出了全新的需求。傳統存儲器架構在能效比和計算效率上的限制，逐漸成為瓶頸。如何實現更高效的存儲技術，以滿足大數據、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業界的研究焦點。

鐵電材料的發展與技術背景

鐵電材料的基本定義與特性

鐵電材料是一種具有自發極化能力的材料，其極化狀態可以在外加電場作用下翻轉。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

傳統的鈣鈦礦類鐵電材料由于尺寸難以進一步縮小，已經難以滿足現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。氧化鉿材料的出現標志著鐵電材料從傳統邁向現代，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構，其工作原理是通過鐵電材料的極化狀態變化實現不同的存儲狀態。具體而言，柵介質中的鐵電極化引起轉移曲線的逆時針回滯，以高低閾值電壓表示“0”和“1”狀態。

FeFET的技術優勢

相比傳統存儲器技術，FeFET具有以下優勢：

■高存儲密度：單個存儲單元由一個晶體管構成，可實現高密度集成；

■低功耗：極化翻轉所需能量低于傳統存儲器；

■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：避免數據讀取過程中對存儲狀態的破壞，提高整體存儲效率。

高耐久性氧化鉿基FeFET挑戰與解決方案

耐久性問題的核心挑戰

耐久性問題是制約FeFET大規模應用的主要障礙。唐克超教授在研究中指出，FeFET的耐久性通常限制在10?–10?次編程/擦寫循環，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的優化策略

鐵電-界面協同優化

?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化工藝，提高界面穩定性。

反鐵電材料的引入

?結合反鐵電材料和氧化物半導體溝道，進一步降低操作電壓，實現高耐久性。

動態表征與機理研究

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

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，在嵌入式系統中具有廣泛應用前景。特別是在物聯網設備和汽車電子領域，FeFET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。

存算一體與神經形態計算

存算一體架構通過將存儲與計算功能集成在一個器件中，有效解決傳統馮·諾依曼架構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存算一體的理想選擇。在神經形態計算領域，FeFET可用于模擬神經元和突觸，支持復雜網絡的實時學習和推理，為下一代人工智能系統提供強大支持。

安全與隱私保護

基于FeFET的物理不可克隆函數（PUF）和真隨機數發生器（TRNG）技術，在物聯網和邊緣設備的安全性方面具有顯著優勢。FeFET的高隨機性和可重構能力，為數據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實現更高的存儲密度。這使其在數據中心和云計算領域展現出巨大潛力，特別是在需要處理海量數據的AI訓練中，FeFET的高性能表現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，FeFET的高線性度和低延遲特性使其成為解決高速數據處理需求的關鍵技術。其應用范圍包括金融數據分析、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，FeFET存儲器可以提供更長的電池續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，FeFET在智能攝像頭、傳感器網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：衡量極化翻轉能力；

■耐久性與保持性：驗證器件的長期穩定性。

陣列級測試

FeFET的大規模應用需要陣列測試平臺的支持。主要測試需求包括：

■編程與讀取：驗證陣列的準確性與一致性；

■選通與引出：通過矩陣開關和FPGA實現自動化操作。

面向新應用的測試

針對存算一體和神經形態計算的需求，需要開發高線性度和高速度的測試方法，同時兼顧動態范圍和電流精度。

泰克科技的支持：

助力FeFET的研發與產業化

泰克科技作為測量儀器行業的領導者，為FeFET研究提供了全面支持：

高帶寬示波器：滿足納秒級動態測試需求；

6系列B MSO混合信號示波器

半導體參數分析儀（4200A-SCS）：支持精確的電學表征

矩陣開關與自動化軟件：提高陣列測試效率。

此外，泰克的定制化測試方案能夠有效解決高動態范圍和高速測量的難題，加速科研成果的產業化轉化。

結語

鐵電材料與FeFET作為新型存儲技術的代表，在后摩爾時代展現出巨大的發展潛力。通過持續優化材料性能、提升器件耐久性以及深化測試能力，FeFET有望在AI、大數據和物聯網等領域迎來大規模應用。未來，隨著產業界與學術界的深入合作，這一技術將為智能化時代的存儲革命提供堅實支撐。