近日，微电子所电子器件与集成重点实验室刘明院士的科研团队在HfO2基铁电存储器研究领域取得了突破性进展。提出了一种基于Hf0.5Z0.5rO2（HZO）材料的铁电二极管（Fe-diode），并实现了三维集成。该成果于2020年3月13日以题为“A highly CMOS compatible hafnia-based ferroelectric diode”的论文在Nature Communications期刊上发表（DOI:10.1038/s41467-019-13827-6）。微电子所罗庆副研究员和华师大成岩副教授为该文章第一作者，微电子所刘明院士、吕杭炳研究员为共同通讯作者。
目前主流的计算机架构中，受限于存储介质的特性与技术发展，多级存储架构被广泛使用。片上缓存和DRAM内存读写速度快，但存储容量小，并且掉电后不能保持数据。基于硬盘/固态盘的外存读写速度慢，但存储容量大，并且掉电后可以保持数据。上述多级存储架构导致目前的计算机系统需要频繁地在不同存储层次间传递数据，降低了计算效率。研发高速、高密度的非易失存储器能够有效的解决上述问题。
铁电存储器具有高速、低功耗、高可靠性的优点，成为下一代非挥发性存储器的有力竞争者之一。然而传统铁电材料与标准CMOS工艺兼容性差问题和尺寸微缩难的问题制约着铁电存储器的发展。2011年，掺杂HfO2的铁电材料被报道，开启了铁电存储器研究的新时代。HZO材料的铁电性起源问题是该领域长期以来的一大争议焦点。在本项工作中，利用原子分辨率球差校正透射电镜，观察到了Hf/Zr和O原子的在晶格中的排列，国际上首次确认了Pca21相的存在，为HfO2铁电的基础理论提供了最为直接的证据。
不同结构的HfO2基铁电存储器已经相继报道（1T1C、FeFET和FTJ）。1T1C结构的铁电存储器是破环性读取，操作复杂对疲劳特性要求高；FeFET可以实现三维集成，但是不能实现随机访问；FTJ是一种电阻型存储器，但是由于低阻态是线性的，用于垂直结构的三维交叉阵列中存在串扰问题。该项工作提出了一种新型的HZO基铁电二极管（Fe-diode）器件，通过极化方向的改变来控制铁电二极管导通方向。由于界面势垒的存在，该器件具有高度的非线性（>100），可以克服交叉阵列中的漏电，实现自选通功能;同时该器件操作速度<20ns，疲劳特性>109,开态电流密度>200A/cm2，并且实现了垂直尺寸小于20nm的三维集成。
图（a）HZO铁电相的原子排列。（b）三维垂直结构的TEM图。（c）铁电二级管的典型IV特性曲线。（d）该器件可以实现20ns的操作速度。
