极化行为对铪基铁电薄膜唤醒与疲劳效应的调控机制研究

为解决HfO2基铁电材料因唤醒(wake-up)和疲劳(fatigue)现象导致的可靠性难题，研究人员通过制备高质量(Hf, Zr)O2(HZO)薄膜电容器，系统研究了单极/双极电场循环下的铁电行为。发现双极场会引发金属-氧键断裂导致疲劳，而单极高压场能线性提升剩余极化(2Pr≈45 μC cm?2)且保持低漏电流，经2×1010次循环后仍维持33 μC cm?2的稳定性能。该研究为铁电器件可靠性优化提供了新策略。

　　

在铪基铁电薄膜领域，由极化行为引发的唤醒效应和疲劳现象犹如一对"孪生难题"，严重制约着(Hf, Zr)O₂(HZO)材料在微电子器件中的应用。这项研究如同精密的"电学显微镜"，通过对比单极与双极电场下的性能差异，揭示了有趣的物理机制：双极场作用下，极化切换时的瞬态过冲会像"分子剪刀"般剪断Hf─O/Zr─O键，产生氧空位缺陷这种"电子陷阱"，最终导致器件疲劳和漏电流飙升。

而单极高压场则展现出截然不同的"驯化"效果——相场模拟显示其能激活非切换铁电畴(non-switching domains)，犹如唤醒沉睡的"电偶极子军团"，使它们在较低工作电压(2 MV cm^?1)下就能整齐排列。基于此开发的单极高压预处理技术，成功将剩余极化(2P_r)提升至≈45 μC cm^?2，即便经历2×10¹⁰次"电学马拉松"后，仍保持≈33 μC cm^?2的优异性能。这些发现不仅解开了铁电材料"越用越钝"的谜团，更为设计高可靠性存储器提供了"电场调控"的新范式。