科研前线西电郝跃院士团队氧化铝栅介质存储器研究获新发现

　　本期为大家介绍的是西电宽带隙半导体国家重点实验室郝跃院士团队在非易失性存储器领域的研究成果，主要内容为团队针对基于非晶态氧化铝栅介质层的非挥发性晶体管进行的多种电特性与存储特性的测试，下面就随小编来一探究竟吧。
　　研究背景
　　经过互联网与移动网络两轮信息技术变革之后，数字化技术已经逐渐融入了社会的方方面面改变了人们生活的方方面面，也因此，生活中每天都会产生巨量的数据信息。随着数据的快速增长，业界对非易失性存储（NVM）产生了极大兴趣，围绕具有非挥发特性的场效应晶体管做了大量研究。为克服传统场效应管的挥发特性，各研究团队探索出了多种器件结构，包括铁电晶体管、浮栅晶体管、charge trap e-Flash、离子薄膜晶体管以及铟镓锌氧化物 (IGZO)晶体管等。
　　基于多晶掺杂HfO2的铁电晶体管由于其拥有与CMOS工艺的良好兼容性而引起了极大关注。最近，基于纳米晶体ZrOz的铁电晶体管也被证明具有NVM和模拟突触的功能，但前述晶体管的共性问题在于，退火过程会影响其与CMOS工艺的兼容性。利用氧空位偶极子可以实现非挥发性场效应晶体管的非晶态栅绝缘子，但这方面的研究尚未深入。
　　西安电子科技大学 宽带隙半导体国家重点实验室 *郝跃院士团队韩根全教授课题组近期在硅衬底上以非晶氧化铝作为电介质生长得到非挥发性晶体管，观测到其器件表现出可切换的极化特性，这得益于氧空位和负电偶极子的电压调制。相关成果近日以＂氧化铝栅介质非挥发性晶体管的存储器特性＂（原标题：Memory Behavior of an Al2O3 Gate Dielectric Non-Volatile Field-Effect Transistor ）为题发表于微电子器件领域的顶级期刊《 IEEE Electron Device Letters 》，博士研究生彭悦为论文第一作者，韩根全教授 与刘艳副教授 为论文共同通讯作者。
　　*宽带隙半导体技术国家重点学科实验室是在宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室的基础上，2007年国家批准建设的重点实验室。实验室重点开展宽带隙半导体材料（即第三代半导体材料 ）与器件的基础科学和系统应用研究。实验室是西安电子科技大学国家集成电路人才培养基地、国家示范性微电子学院、微电子学与固体电子学国家重点学科和 ＂211＂工程重点建设学科的重要支撑。
　　基本特性
　　研究团队通过极化电压测试、PUND脉冲测试、压电力显微镜（PFM）和电测量，证实了不同氧化铝厚度的TaN/Al2O3/Si0.70Ge0.30结构均能表现出类铁电特性。其中，6.5nm厚度氧化铝介质层的非易失性存储器件实现了超过10000次的循环读写次数和室温状态下超过10^5秒数据保存。
　　制备与测试
　　图(a)为晶体管结构示意图
　　图(b)为晶体管的TEM形貌像
　　图(c)与图(d)分别为6.5nm和4.5nm厚度的非晶氧化铝介质层的HRTEM形貌像。
　　图为不同条件下，TaN/Al2O3/SiGe体系的P-V曲线、
　　PUND脉冲测试，氧化铝的电容特性测试。
　　TaN/Al2O3/SiGe电容器原理图
　　I-V特性测试，以及存储特性测试
　　25 和85 下的存储寿命测试
　　与同类非挥发性晶体管的性能测试对比
　　前景展望
　　通过在材料工艺上的改进，西电团队发现了比现有的存储器研究成果速度更快的晶体管方案，相比较为成熟的铁电晶体管也具有更低的擦除电压 ，但其存储寿命较短，目前还处于研究阶段。在＂后摩尔时代＂，晶体管缩小的工艺路线逐渐走向终结，新材料等研究方向必然成为影响和决定未来微电子器件技术发展和集成电路产业格局，本项成果展示了氧化铝这一宽禁带半导体材料在薄膜存储器上的一种应用特性，拓宽了研究方向，在此小编也期待和预祝郝跃院士团队能够在存储器领域获得更多的突破性成果。
　　论文全文链接：
　　https://ieeexplore.ieee.org/document/9144299