大數(shù)據(jù)與AI時(shí)代對(duì)存儲(chǔ)技術(shù)的需求

隨著AI技術(shù)的快速發(fā)展，特別是大規(guī)模語(yǔ)言模型（如ChatGPT和Sora）的出現(xiàn)，對(duì)數(shù)據(jù)處理能力和存儲(chǔ)技術(shù)提出了全新的需求。傳統(tǒng)存儲(chǔ)器架構(gòu)在能效比和計(jì)算效率上的限制，逐漸成為瓶頸。如何實(shí)現(xiàn)更高效的存儲(chǔ)技術(shù)，以滿足大數(shù)據(jù)、AI推理與訓(xùn)練的實(shí)時(shí)性和能效需求，是后摩爾時(shí)代存儲(chǔ)技術(shù)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(chǔ)技術(shù)正逐步成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究焦點(diǎn)。

鐵電材料的發(fā)展與技術(shù)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(chǎng)作用下翻轉(zhuǎn)。其特有的極化-電場(chǎng)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(chǔ)器、傳感器、驅(qū)動(dòng)器以及光電探測(cè)器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力

極化：正負(fù)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(jìn)一步縮小，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代集成電路對(duì)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(lái)鐵電研究的熱點(diǎn)材料。氧化鉿材料的出現(xiàn)標(biāo)志著鐵電材料從傳統(tǒng)邁向現(xiàn)代，開啟了存儲(chǔ)器應(yīng)用的新紀(jì)元。

FeFET：高耐久性鐵電存儲(chǔ)器的核心技術(shù)

FeFET的基本原理

鐵電場(chǎng)效應(yīng)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(guò)鐵電材料的極化狀態(tài)變化實(shí)現(xiàn)不同的存儲(chǔ)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(shí)針回滯，以高低閾值電壓表示“0”和“1”狀態(tài)。

FeFET的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

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

■高存儲(chǔ)密度：單個(gè)存儲(chǔ)單元由一個(gè)晶體管構(gòu)成，可實(shí)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(chǔ)器；

■高速性：操作速度小于20納秒，適合實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用場(chǎng)景；

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

高耐久性氧化鉿基FeFET挑戰(zhàn)與解決方案

耐久性問(wèn)題的核心挑戰(zhàn)

耐久性問(wèn)題是制約FeFET大規(guī)模應(yīng)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(yuǎn)低于應(yīng)用需求。這一問(wèn)題的核心原因包括：

■界面電場(chǎng)過(guò)高：寫入操作中界面電場(chǎng)可能超過(guò)氧化鉿的擊穿電場(chǎng)，導(dǎo)致電荷注入和界面層損傷；

■電荷累積效應(yīng)：反復(fù)操作過(guò)程中電荷注入導(dǎo)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(guò)改進(jìn)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(chǎng)。

?使用先進(jìn)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(dǎo)體溝道，進(jìn)一步降低操作電壓，實(shí)現(xiàn)高耐久性。

動(dòng)態(tài)表征與機(jī)理研究

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

FeFET的應(yīng)用場(chǎng)景與未來(lái)前景

嵌入式非易失性存儲(chǔ)

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

存算一體與神經(jīng)形態(tài)計(jì)算

存算一體架構(gòu)通過(guò)將存儲(chǔ)與計(jì)算功能集成在一個(gè)器件中，有效解決傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)中計(jì)算與存儲(chǔ)分離導(dǎo)致的瓶頸問(wèn)題。FeFET的高速性和低功耗特性使其成為實(shí)現(xiàn)存算一體的理想選擇。在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域，F(xiàn)eFET可用于模擬神經(jīng)元和突觸，支持復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)和推理，為下一代人工智能系統(tǒng)提供強(qiáng)大支持。

安全與隱私保護(hù)

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

高密度陣列存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)更高的存儲(chǔ)密度。這使其在數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算領(lǐng)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(xùn)練中，F(xiàn)eFET的高性能表現(xiàn)能夠滿足實(shí)時(shí)性和能效比的嚴(yán)苛需求。

高速計(jì)算中的應(yīng)用擴(kuò)展

在高速計(jì)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(guān)鍵技術(shù)。其應(yīng)用范圍包括金融數(shù)據(jù)分析、科學(xué)計(jì)算和實(shí)時(shí)圖像處理等領(lǐng)域。通過(guò)將FeFET集成到專用加速器中，可以顯著提高計(jì)算效率并降低整體能耗。

消費(fèi)電子與邊緣計(jì)算設(shè)備

在消費(fèi)電子設(shè)備中，F(xiàn)eFET存儲(chǔ)器可以提供更長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間和更快的響應(yīng)速度。此外，邊緣計(jì)算設(shè)備對(duì)低功耗、高可靠性的存儲(chǔ)器需求旺盛，F(xiàn)eFET在智能攝像頭、傳感器網(wǎng)關(guān)等設(shè)備中的應(yīng)用將進(jìn)一步推動(dòng)其市場(chǎng)化。

FeFET的測(cè)試與測(cè)量需求

單器件測(cè)試

對(duì)于單個(gè)FeFET器件的測(cè)試，主要關(guān)注以下指標(biāo)：

■轉(zhuǎn)移特性（Id-Vg）：反映晶體管的柵控能力和存儲(chǔ)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(yàn)證器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

陣列級(jí)測(cè)試

FeFET的大規(guī)模應(yīng)用需要陣列測(cè)試平臺(tái)的支持。主要測(cè)試需求包括：

■編程與讀?。?/strong>驗(yàn)證陣列的準(zhǔn)確性與一致性；