Zr掺杂HfO2夹层结构中插入层（HfO2/ZrO2/Y2O3/La2O3）对铁电与突触性能的调控机制及器件优化研究

为解决铁电薄膜在突触器件中极化切换非线性问题，研究人员通过引入HfO2/ZrO2/Y2O3/La2O3插入层结构，调控Zr掺杂HfO2（HZO）的退极化场与矫顽场（Ec），显著提升FeFET器件的线性度与耐久性（2×106次循环），其中HfO2插入层因低氧空位浓度（6.6%）表现最优，MNIST模式识别准确率达87.76%（提升3.75%），为神经形态计算提供新策略。

　　

在人工智能与类脑计算蓬勃发展的今天，模仿生物突触可塑性的神经形态器件成为研究热点。传统钙钛矿铁电材料虽具有非易失性存储特性，却因与CMOS工艺兼容性差、尺寸微缩受限而难以实用化。直到2011年，掺杂HfO₂基铁电材料（FE）的发现打破了这一僵局——它不仅兼容现有半导体工艺，还具有低功耗、高速操作等优势。然而，当这类材料应用于突触器件时，铁电极化在矫顽电场（E_c）附近的非线性切换行为，导致突触权重（synaptic weight）的增强（potentiation）与抑制（depression）过程出现阶跃式变化，严重制约了模拟生物突触的线性调控能力。

针对这一瓶颈，韩国国家研究基金会支持的研究团队在《Applied Surface Science》发表了一项突破性研究。他们创新性地在Zr掺杂HfO₂（HZO）铁电薄膜中引入纳米级插入层结构，通过材料工程调控退极化场（depolarization field），成功实现了突触器件性能的全面提升。

关键技术方法
研究采用金属-铁电-金属（MFM）电容器和铁电场效应晶体管（FeFET）两种器件架构。通过原子层沉积（ALD）制备了4种插入层（HfO₂/ZrO₂/Y₂O₃/La₂O₃）的10 nm厚HZO薄膜，插入层厚度固定为2 nm，两侧各沉积4 nm HZO。利用X射线衍射（XRD）分析相组成，通过电学测试评估剩余极化（P_r）、疲劳特性及循环间变异度，并基于MNIST数据集验证模式识别性能提升。

研究结果

MFM电容器特性表征

• 插入层材料显著影响铁电性能：La₂O₃样品展现最高剩余极化（P_r），但伴随显著疲劳退化；HfO₂插入层虽初始P_r较低，却在10⁶次循环后保持最优稳定性，循环间变异度仅14.3%。
• 氧空位分析揭示关键机制：HfO₂插入层的低氧空位浓度（6.6%）有效抑制电荷捕获，是其高耐久性的核心原因。

FeFET器件的突触行为

• 线性度突破：HfO₂插入层使突触权重调控曲线斜率从0.08提升至0.22，逼近理想线性响应（斜率=1）。
• 时序依赖可塑性（STDP）验证：器件成功模拟生物突触的"时间窗"效应，脉冲间隔50 ms时权重变化达35%。

MNIST模式识别验证
基于实测器件参数的系统仿真显示，HfO₂插入层器件识别准确率达87.76%，较传统HZO器件提升3.75%，证实其实际应用价值。

结论与意义
该研究通过插入层工程在三个维度实现突破：①材料层面，阐明氧空位浓度与铁电稳定性的定量关系；②器件层面，首次证明2 nm HfO₂插入层可同时优化E_c与线性度；③系统层面，为神经形态芯片提供可扩展的解决方案。这项工作不仅推动HfO₂基铁电器件向实用化迈进，更开辟了通过界面调控优化突触性能的新范式，对下一代存算一体芯片设计具有重要指导意义。