苏州大学/南京大学王欣然教授 SCM:用于高可靠性低压二维铁电晶体管的原位氧化工艺

在人工智能与边缘计算快速普及的当下，传统冯・诺依曼架构中存储与计算单元分离带来的功耗与延迟问题日益突出，存算一体技术成为突破性能瓶颈的关键方向，铁电场效应晶体管（FeFET）凭借非易失性存储、低编程功耗、非破坏性读取与多值存储能力，成为存算一体芯片的核心器件。随着器件尺寸持续微缩，二维半导体凭借原子级厚度、无悬挂键表面与优异的静电调控能力，被视作后摩尔时代沟道材料的理想选择，将二维半导体与铁电材料结合构建的二维 FeFET，能够同时发挥铁电的非易失性与二维材料的短沟道抗性，在低功耗、高密度、可重构电路中具备广阔应用前景。但长期以来，二维 FeFET 的发展面临难以解决的瓶颈，二维材料无悬挂键的表面导致铁电层难以形核，无法生长均匀高质量的铁电薄膜，同时低压工作需求要求铁电层不断减薄，而传统氧化铪、铝钪氮等铁电材料在超薄化后会出现铁电性衰退、可靠性下降的问题，更为关键的是铁电层与二维沟道之间容易产生缺陷层、界面态与电荷注入，导致阈值漂移、存储器窗口减小、疲劳效应加剧，最终使得器件的 endurance 与保持性能无法满足实用化要求，如何实现超薄、均匀、高质量且与二维沟道形成原子级洁净界面的铁电层集成，成为推动二维 FeFET 走向实际应用的核心难题。本文针对这一关键问题，介绍了基于原位氧化构建本征铁电氧化物的创新路线，以二维 Bi₂O₂Se 为原料，通过低温精准氧化制备范德华铁电氧化物 α-Bi₂SeO₅，形成原子级共格的 Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅异质结，以此为核心结构实现晶圆级、低压、高可靠、超长寿命的二维 FeFET，为解决二维铁电器件界面与可靠性难题提供了全新方案。

图 1 展示了基于原位氧化制备的范德华铁电氧化物与二维 FeFET 的结构和关键性能，图 1a 呈现了通过低温原位氧化制备的晶圆级 α-Bi₂SeO₅铁电氧化物以及 Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅异质结的原子结构，该结构通过对二维 Bi₂O₂Se 半导体进行 400℃以下的精准氧化处理得到，氧化过程自限性强、厚度可控，所形成的铁电氧化物属于范德华层状结构，能够保持单原子层尺度的稳定铁电性，同时具备面内与面外极化翻转能力，相对介电常数接近 24，居里温度高达 880K，兼具高 κ 与高热稳定性的优势，更为重要的是原位氧化形成的异质结界面没有外来缺陷、无杂质层、无悬挂键，实现原子级平整且共格匹配，彻底解决了传统沉积法铁电层与二维材料界面质量差的问题，从根源上消除了界面态带来的器件漂移与疲劳问题。图 1b 为基于该异质结构建的二维 FeFET 的转移特性曲线与 endurance 性能测试结果，器件在 ±1V 的低压工作条件下，开关比超过 10⁶，存储窗口达到 0.9V，在 200 个器件阵列中的器件间差异性低于 5%，展现出优异的均一性，最为突出的是该器件在 0.8V 超低压、20ns 超快脉冲编程条件下，可实现超过 1.5×10¹² 次的循环擦写而不出现性能衰退，同时满足 10 年数据保持能力与 5 位多值存储能力，这一系列指标均为目前二维 FeFET 领域的最优水平，充分证明原位氧化本征铁电异质结策略在提升器件性能、降低工作电压、增强可靠性方面的革命性优势。

本研究提出的原位氧化方案，完全区别于传统将铁电层直接沉积在二维材料表面的思路，而是以二维半导体自身为前驱体，通过精准可控的低温氧化，在其表面原位转化生成铁电氧化物，这种方式从根本上避免了异质沉积带来的界面不匹配、形核困难、缺陷密集等问题，所制备的 α-Bi₂SeO₅是全新的范德华铁电氧化物，打破了传统铁电材料难以超薄化的限制，在单原子层厚度下仍保持稳定铁电性，同时兼具高介电常数与高温稳定性，能够完美适配二维器件的低压、低功耗需求，依托原子级洁净的共格界面，器件内部没有额外的电荷陷阱与寄生层，有效抑制了阈值电压漂移、疲劳效应与性能衰减，使得器件在超低工作电压下实现超快开关、超长循环寿命、长期数据保持与多电平存储，综合性能全面满足嵌入式存储与存算一体应用的要求。该路线还具备显著的规模化优势，能够实现晶圆级均匀制备，与单片三维集成的热预算要求兼容，简化了二维半导体与铁电氧化物的集成工艺，为三维逻辑 — 存储融合架构提供了可行的器件方案。从更广泛的视角来看，本原位氧化策略为功能氧化物与二维材料的集成提供了普适性思路，证明本征氧化工程能够有效解决界面兼容性难题，为开发更多类型的高性能、高可靠二维电子器件开辟了全新路径，推动二维 FeFET 从实验室研究走向实际芯片应用。