近日，Science Advances期刊刊登了菠菜担保网论坛聂越峰、邓昱、吴迪教授团队在氧化物/半导体铁电隧道结（FTJ）疲劳机制研究中的新进展。该工作揭示了钙钛矿氧化物/半导体FTJ的疲劳机理，为设计抗疲劳的FTJ存储及忆阻器件提供了新思路。
钙钛矿氧化物FTJ忆阻器凭借其结构简单、低功耗及易于实现的权重更新机制，在信息存储和神经形态计算领域展现出显著潜力。然而，钙钛矿氧化物需在高温、高氧压下生长，且存在晶格失配问题，导致其与传统CMOS工艺兼容性不足。因此，实现氧化物/半导体集成的FTJ在基础研究和存储器件应用中具有重要意义。近年来，自支撑氧化物薄膜技术的快速发展为氧化物薄膜与半导体的低温集成提供了新机遇。研究团队此前利用该技术，成功实现了BiFeO3（BFO）与硅基片的集成，开发出高性能铁电突触器件[Adv. Funct. Mater. 34, 2316473（2024）]。然而，硅基FTJ的阻变疲劳特性较弱，改善其耐疲劳性能仍是一大挑战。为此，团队系统研究了不同半导体（Si、Ge、GaAs）集成的FTJ疲劳行为。图1对比了Si-FTJ和GaAs-FTJ在多次电场翻转后的阻变特性，结果显示GaAs-FTJ的耐疲劳性能更优，可实现超过108次循环，显著优于Si-FTJ的106次循环，接近氧化物单晶衬底上直接外延氧化物FTJ的性能水平。
图1. Si-FTJ和GaAs-FTJ的阻变疲劳特性
利用高分辨电镜技术，研究团队在原子尺度下揭示了氧化物/半导体FTJ的微观疲劳机制（图2）。通过对比疲劳前后的微观结构，发现疲劳源于电场翻转过程中BFO层内氧空位的积累，这导致晶格结构逐步坍塌，从而降低了有效铁电极化强度。晶格坍塌从半导体界面开始，逐渐向顶部电极扩展。电子能量损失谱（EELS）分析进一步表明，晶格坍塌伴随着Fe价态降低和氧空位生成。通过对比不同半导体材料，发现FTJ的疲劳特性与半导体类型密切相关，其中GaAs基FTJ展现出更优的耐疲劳性能。这与半导体材料的氧亲和性有关：氧与镓/砷之间较弱的相互作用能有效抑制BFO中氧空位的形成和积累，从而减轻晶格结构的损伤。
图2.疲劳前后FTJ的晶格结构及Fe价态演化
这项工作阐明了氧化物/半导体FTJ的疲劳机制，为在半导体上实现高性能FTJ提供了有益参考，在非易失存储器件和神经形态计算方面有重要的应用前景。相关成果以“Ferroelectric tunnel junctions integrated on semiconductors with enhanced fatigued resistance”为题发表在国际期刊Science Advances上（DOI:10.1126/sciadv.ads0724）。菠菜导航担保网郑宁冲博士和博士生李嘉祎为论文的共同第一作者，菠菜担保网论坛聂越峰教授、邓昱副教授及吴迪教授为论文的共同通讯作者。菠菜担保网论坛夏奕东教授和加州大学尔湾分校潘晓晴教授对本工作给予了重要指导。
