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1010次循环！科学家用“氮空位围堵术”突破铁电存储器耐久极限

随着人工智能和高性能计算快速发展，下一代非易失存储器不仅要“记得住”，还要写得快、功耗低、能反复擦写，并适合高密度集成。铁电存储通过原子尺度的极化翻转记录信息，被视为突破传统电荷存储瓶颈的重要方向。其中，近年来兴起的纤锌矿结构氮化物铁电材料兼具高剩余极化、高矫顽场、低温制备以及三维集成潜力，但一个关键短板始终没有解决：耐久性不足。在保证完全极化翻转的条件下，这类器件通常在约 108次循环附近失效，而究竟是什么微观缺陷一步步把器件“拖垮”，此前仍缺乏清晰答案。

近日，西安电子科技大学韩根全教授、郝跃院士联合周久人教授锁定了纤锌矿铁电材料耐久失效背后的关键角色——氮空位。研究发现，循环电场会驱动氮空位重新分布、聚集，并最终形成贯穿膜厚方向的缺陷渗流通道，引发漏电增加和介电击穿。针对这一机制，团队设计了AlScN/AlN超晶格，并配合动态恢复操作，从空间和能量两个维度限制氮空位迁移和聚集。在完整极化翻转条件下，器件在室温下实现4.7×10⁹次累计循环，在250 K下进一步突破10¹⁰次，将耐久性能提升了约两个数量级。相关成果以“Endurance beyond 10 billion cycles in wurtzite ferroelectrics by confining nitrogen vacancies”为题发表在《Science》上，Ruiqing Wang和Feng Zhu为共同第一作者。

研究首先给出了一个非常直观的“失效—解决”逻辑（图1）。普通AlScN薄膜中，氮空位并不是静止不动的。随着电场反复翻转，它们逐渐聚集，并沿薄膜厚度方向形成连续缺陷路径，最终让漏电流越来越大，器件发生硬击穿。研究人员于是将周期性的AlN薄层插入AlScN中，相当于在氮空位迁移道路上设置一道道“隔离墙”，切断长距离贯通路径；与此同时，再利用恢复脉冲把已经聚集的氮空位重新分散到更加稳定的位置。两种作用叠加，形成了所谓的空间—能量双重限域。

图1：氮空位双重限域策略示意图。

那么，普通AlScN究竟是怎么坏掉的？图2给出了直接证据。经过2×10⁶次极化循环后，AlScN整体的纤锌矿晶格其实仍然保持得相当完整，剩余极化甚至只是从127增加到136 μC/cm²，变化约7%（图2a、2b）。这说明器件失效并不是因为整个铁电晶格一点点“疲劳消失”，而是另一条更隐蔽的路径在起作用：漏电流迅速增加，随后器件突然发生不可逆击穿。进一步的电子能量损失谱分析揭开了原因。初始状态下，氮元素信号在不同区域相对均匀；循环后，晶界附近的氮信号明显降低，而相邻区域升高（图2c）。由于氮信号降低对应更高的氮空位浓度，这意味着氮空位正在向晶界附近聚集。其空间分布标准差由约0.029增至0.041。也就是说，反复电场并没有立即破坏铁电相，而是在材料内部悄悄“搬运”缺陷，最终沿晶界建立贯穿上下电极的高缺陷通道。

图2：普通AlScN的失效机制。

找到问题之后，研究团队开始从缺陷形成的能量根源入手。第一性原理计算显示，在AlScN中，与Sc配位的N位点形成氮空位所需能量约为3.8 eV，而仅与Al配位的N位点约为4.7 eV（图3a）。这意味着，Sc虽然有利于降低铁电翻转难度，却也让局部环境更容易产生氮空位。于是团队在AlScN之间周期性插入不含Sc的AlN层，使氮空位形成能提高，同时显著抬高其跨越AlN界面的迁移势垒（图3b、3c）。基于这一设计，研究人员构筑了由5个周期组成的AlScN/AlN超晶格，每层AlScN厚25 nm、AlN厚8 nm，总厚度约190 nm。即使经历2×10⁷次循环，AlN层仍能明显阻断垂直晶界继续贯穿（图3d）。更重要的是，器件的失效方式也改变了：普通AlScN往往突然硬击穿，而超晶格更多表现为缓慢、可恢复的铁电性能下降。加入恢复操作后，室温累计循环达到4.7×10⁹次，并始终满足2Pr≥200 μC/cm²的完全翻转标准；在250 K下则进一步超过10¹⁰次（图3e、3f）。

图3：AlScN/AlN超晶格实现耐久性突破。

图4进一步说明，AlN层的“隔离墙”并不只是一个结构设想。经过3×10⁹次循环后，应变映射中依然没有出现贯穿整个超晶格厚度的连续应变通道，缺陷相关路径会在AlN层处被截断（图4a）。与之对应，超晶格漏电流中位数仅增加约52%，而普通AlScN在仅2×10⁶次循环后就已经增加约837%（图4b）。器件的击穿场与矫顽场之比EBD/Ec中位值达到2.67，也从电学层面证明了这种空间限域能够有效压制缺陷诱导的介电击穿（图4c）。

图4：AlN层对介电击穿的空间抑制作用。

不过，只挡住氮空位“长途迁移”还不够。长时间循环后，氮空位仍可能在局部聚集，引起铁电极化下降。图5追踪了这一过程：初始状态、唤醒状态、疲劳状态和恢复状态下，AlScN晶格依次经历N极化、M极化、局部面内极化，再重新回到M极化（图5a—5d）。在疲劳阶段，局部晶格发生倾转，垂直方向极化被削弱；而恢复操作之后，原有的面外极化重新出现。EELS结果进一步将这一结构变化与氮空位联系起来。氮信号分布的标准差从唤醒状态的0.030增加到疲劳状态的0.038，经过恢复后又降至0.022（图5e—5g），说明恢复操作能够重新分散聚集的氮空位。经过第七轮应力—恢复循环、累计4.7×10⁹次循环后，氮空位仍保持较均匀分布，晶格也维持稳定的M极化结构（图5h、5i）。与此同时，每轮循环造成的剩余极化损失从最初约35%逐渐压低到约1%（图5j），表明缺陷体系逐步进入更加稳定的状态。

图5：恢复操作稳定氮空位与铁电极化。

小结

这项工作的意义，不只是把一个耐久数字从10⁸推到了10¹⁰，而是把纤锌矿铁电材料长期存在的“寿命问题”重新定义成了一个可设计的缺陷拓扑问题：氮空位何时形成、向哪里迁移、是否发生聚集以及能否形成贯穿路径，共同决定了器件最终会不会失效。通过AlN超晶格进行空间阻隔，再利用恢复操作调节氮空位的能量状态，研究团队实现了从原子尺度缺陷稳定到器件级超高耐久性的跨尺度调控。这种兼容CMOS工艺的缺陷限域思路，为高密度、低功耗、高可靠性的下一代非易失铁电存储提供了一条值得关注的新路径。