西电芯片存储研究，取得新突破

精准破解困扰全球学界多年的芯片存储耐久性难题，一举将新型存储器件使用寿命提升百倍。

人工智能与高性能计算飞速发展，下一代存储技术是决定算力上限的关键。近日，西安电子科技大学郝跃院士团队联合香港城市大学、复旦大学取得重磅科研成果，精准破解困扰全球学界多年的芯片存储耐久性难题，一举将新型存储器件使用寿命提升百倍，为我国下一代高端存储芯片研发筑牢核心理论与技术根基。

纤锌矿铁电存储被视作未来芯片的重要候选方向，但器件反复读写容易出现性能衰减，这是全球科研人员共同面对的技术瓶颈。郝跃院士团队追踪材料内部氮空位的演化规律，从原子层面揭示器件失效机理，依托空间与能量双重限域策略驯服微观缺陷，将器件稳定循环寿命提升百倍。

存储器是信息技术的基石。传统存储技术各有短板，很难兼顾全部指标。铁电存储器依靠材料原子尺度极化方向记录信息，如同无数微小“指南针”区分数字0和1，潜力巨大。以氮化铝钪为代表的纤锌矿氮化物铁电材料被视作下一代存储的有力竞争者。但长期以来，反复读写下，寿命不足的短板难以突破。此前研究人员虽观察到漏电增加、铁电性能退化等现象，但始终没能厘清，在循环电场作用下，材料内部缺陷如何运动、演化，最终引发器件失效。

氮空位限域稳定缺陷拓扑实现纤锌矿铁电超高耐久性机理图

该研究并未停留在对铁电材料失效现象的观察层面，而是深入原子尺度，系统绘制了循环电场作用下纤锌矿铁电材料内部缺陷的动态演化全图景，首次将困扰该领域多年的耐久性瓶颈转化为一个可描述、可计算、可调控的缺陷拓扑问题。基于这一微观物理机制的揭示，团队进一步提出了“氮空位拓扑稳定”的缺陷调控概念，并通过空间与能量双重限域策略对缺陷演化路径进行了有效干预。

近年来，以氮化铝钪为代表的纤锌矿氮化物铁电材料因结构高度有序、与现有芯片制造工艺兼容，被认为是下一代存储的有力竞争者。然而，这类材料在反复读写中寿命不够长的问题始终未能解决。在完全极化翻转条件下，已有器件通常在约一亿次循环后失效，远低于本征物理潜力。此前，研究人员已经观察到漏电增加、氧元素渗入、铁电性能退化等失效现象，但这些现象背后的微观物理机制——循环电场作用下，材料内部的缺陷究竟如何运动、如何演化、如何最终导致器件失效——始终缺乏清晰的图景。

AlScN/AlN超晶格中氮空位限域实现百亿循环耐久性

韩根全、周久人教授团队综合运用电输运分析、电子叠层衍射成像、电子能量损失谱、几何相位应变分析及第一性原理计算等多种手段，在原子尺度上对循环电场作用下材料内部缺陷的动态演化进行了系统追踪。最终将目光聚焦于一种名为“氮空位”的微观缺陷——即晶格中本该有氮原子的位置出现了空缺。

如果把铁电材料比作一片整齐的“玉米地”，氮空位就是地里某些本该长玉米的位置出现的“缺株”。团队发现，真正值得关注的不是这些“缺株”本身的数量，而是在电场反复作用下它们的空间分布会如何变化。追踪结果显示，循环电场持续驱动氮空位发生重新分布、局域团聚和长程迁移——好比“缺株”位置会移动、会聚集成片，甚至串成一条贯穿整块地的“通道”。

AlScN/AlN超晶格中AlN中间层的空间限域抑制介电击穿

这一演化过程直接导致了两条相互关联的失效路径。一方面，氮空位的长程渗流迁移促进了贯穿薄膜厚度方向的漏电通道形成，导致漏电流持续增加并最终诱发硬击穿，器件彻底失效。另一方面，氮空位的局域重构与极化相关的晶格重取向相互耦合，好比“缺株”周围的土壤结构被扰动，导致材料存储极化信号的能力逐渐退化。“过去大家知道它会失效，也看到了一些表面现象，但谁也没能在原子尺度上把‘谁在动、怎么动、动了以后怎么导致失效’这件事从头到尾讲清楚”，王瑞清说。“我们现在可以画出一张完整的‘缺陷迁徙地图’了”，韩根全进一步打了个比方：“这就好比一个社区的安全，不仅取决于社区里有多少隐患点，更关键的是这些隐患点在特定条件下会不会连成一条隐患链。我们追踪的正是这些隐患点‘连成链’的过程。”

这项研究的核心突破在于，它首次将长期存在的耐久性瓶颈，从经验性的寿命指标转化为一个基于原子尺度缺陷拓扑演化的物理问题。这意味着，宏观的器件寿命不再只是一个通过测试才能知道的数字，而是可以被追溯到原子层面、可以被描述和计算的演化过程。

恢复驱动的能量限域抑制氮空位聚集稳定铁电极化

找到失效的微观物理机制后，团队进一步提出“氮空位拓扑稳定”的缺陷调控概念，设计空间与能量协同干预方案。这套思路并非消除所有缺陷，而是主动调控缺陷迁移与重构行为，阻止缺陷形成贯通性的破坏性结构。

空间维度，团队构筑氮化铝钪/氮化铝铁电超晶格结构，利用周期性插入的氮化铝层充当物理“围栏”，阻挡氮空位沿薄膜厚度方向长程迁移，切断贯穿性漏电通道。能量维度，引入动态恢复方法，打散局部聚集的氮空位，降低材料结构不均匀性。团队相关成员解释说，“空间限域划定缺陷迁移范围，能量调控消除局部聚集，二者协同，缺陷就很难形成破坏器件的构型。”

两种手段共同保障氮空位结构在长期电应力下保持稳定。测试显示，这套方案制备的超晶格器件，在完全极化翻转条件下可实现超过100亿次循环耐久性，相比原有水平提升约两个数量级；器件经历10亿次循环后存储信号衰减控制在3%以内，缺陷分布趋于稳定，验证了调控策略有效。该研究同时实现科研范式升级，建立起“原子尺度缺陷追踪—跨尺度失效关联—基于机理定向调控”完整研究思路。

相关论文登上国际顶级学术期刊《Science》。该成果打通原子尺度缺陷行为和器件宏观可靠性之间的关联，为高可靠、高密度纤锌矿铁电存储器研发提供新的物理基础，也为下一代非易失存储材料设计开辟新路径，助力国产高端存储技术发展。

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