基于表面等离子体激元寻址的CMOS兼容铁电隧道结随机存取存储器研究

《SCIENCE ADVANCES》：A plasmon-electron addressable and CMOS compatible random access memory

为解决传统电荷存储设备速度瓶颈问题，研究人员开发了一种基于Au:HfO2:Au铁电隧道结(FTJ)的等离子体-电子双寻址随机存取存储器(PFTJ-RAM)。该研究利用表面等离子体激元(SPP)实现高速写入，通过隧穿电流读取存储状态，在3-5 nm HfO2铁电层中实现了>60分钟的数据保持。这项CMOS兼容的混合架构为突破冯·诺依曼瓶颈提供了新方案，发表于《Science Advances》。

　　

在数据爆炸式增长的时代，全球数据存储需求预计将在2025年达到200泽字节，但传统电荷存储设备的速度瓶颈严重制约了数据处理效率。当前非易失性存储器(NVM)虽然解决了断电数据保存问题，但电信号寻址方式仍面临速度限制、热噪声干扰等挑战。与此同时，纯光学存储方案又受限于光电信号转换的复杂性。这种两难境地促使科学家们将目光投向表面等离子体激元(SPP)——这种能在金属-介质界面传播的电磁波模式，兼具光的高速性和电的易检测性。

为突破这一技术瓶颈，研究人员开发了一种革命性的存储方案：等离子体寻址铁电隧道结随机存取存储器(PFTJ-RAM)。该器件巧妙地将铁电隧道结(FTJ)与金属-绝缘体-金属(MIM)等离子体波导结构合二为一，在3-5 nm厚的HfO₂铁电层中实现了双稳态存储。通过精确调控Au电极与HfO₂界面的氧空位缺陷态(V^-/V^2-)，研究人员首次实现了SPP信号写入与隧穿电流读取的完美结合。

研究采用了三项关键技术：等离子体增强原子层沉积(PEALD)制备氧空位富集的HfO₂铁电薄膜；克雷奇曼(Kretschmann)构型激发800 nm激光诱导SPP；锁相放大技术检测纳安级隧穿电流。通过压电力显微镜(PFM)证实了HfO₂的铁电性，高分辨透射电镜则揭示了其非晶结构特征。

RESULTS部分揭示了器件的核心性能：

1. 电学特性显示FTJ具有典型滞回曲线，在±2 V偏压下实现7 nA隧穿电流，负微分电阻(NDR)现象表明界面陷阱态的关键作用。
2. SPP寻址实验证实了纯等离子体效应：p偏振光在特定入射角(θ_SPP)产生最大电流，阈值功率P_th=150-220 mW时出现电流方向反转。
3. 存储操作演示中，+0.5 V/-0.5 V双极脉冲配合SPP实现了稳定的Set/Reset操作，State (II)在60分钟读取间隔下保持稳定。

DISCUSSION指出，虽然当前耐久性不及传统Fe-RAM，但PFTJ-RAM的创新性在于：

1. 首次实现全CMOS工艺兼容的等离子体-电子混合存储架构
2. 利用HfO₂氧空位(<1.7×10²¹ cm^-3)诱导的铁电性，突破了传统钙钛矿铁电材料的集成限制
3. 为神经形态计算提供了纳秒级响应的新型突触器件方案

这项研究开创性地将等离子体光子学与铁电电子学融合，为解决"内存墙"问题提供了新思路。未来通过优化HfO₂/Au界面态和探索Cu/Al等替代电极材料，有望进一步提升器件性能，推动光电子融合计算芯片的发展。