为了打破冯·诺依曼瓶颈，铁电晶体管成为了下一代存储器的有利竞争者，但是钙钛矿等传统铁电材料存在与MOS器件不兼容且钙钛矿材料器件的微缩存在壁垒等严重问题。近期，铪基铁电的出现重新引起了人们对铁电材料的关注，但是铪基铁电相型较多，极大影响了铪基铁电的应用。如何提高铪基薄膜中铁电相的比例以及提高薄膜中铁电相的原因成为了现阶段急需解决的问题。

复旦大学微电子学院陈琳教授团队在铝对氧化铪薄膜铁电特性的影响及其影响薄膜铁电特性的原因方面进行了研究，成功在铝调控氧化铪铁电特性的机理方面获得原创性成果，工作进展以“The Doping Effect on the Intrinsic Ferroelectricity in Hafnium Oxide-Based Nano-Ferroelectric Devices” 为题发表在国际顶级期刊《Nano Letters》。文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00085（可点击“阅读原文”获取）。微电子学院教授陈琳、陈时友、博士后王天宇为共同通讯作者，李振海和魏金宸为共同第一作者。

本工作提出了铝掺杂对氧化铪薄膜铁电特性的影响及其相关机理的解释。在过去两年的工作中，团队一直在探究影响氧化铪薄膜铁电特性的原因及其相关的机理（Advanced electronic materials. 2022，8(12)，10.1002/aelm.202200951. ），并在探进影响氧化铪薄膜铁电特性的原因和相关机理方面获得多项原创性研究成果（IEEE electron device letters. 2023, 44(3)， 10.1109/LED.2023.3234690.；IEEE electron device letters.2023, 44(1), 10.1109/LED.2022.3226195.）。

本项工作从实验和理论相结合的角度出发，探究了掺杂变化对氧化铪薄膜铁电特性影响的原因。实验发现在氧化铪薄膜中掺杂2.4%的铝，器件具有较好的铁电特性。并通过第一性原理分析的方法进行分析解释，发现过多铝的掺杂将会生成氧化铝从而破坏铁电相的稳定，但是铝的不足以产生大的内应力从而稳定薄膜中的正交相。这项研究有助于推动集成电路领域中新型低功耗微纳电子器件开发与应用。

图1. 器件制备流程及其Al对氧化铪铁电相的影响

图2. 在不同铝浓度下不同缺陷的形成能

图3. 不同铝含量下薄膜内部成分变化情况

图4. 氧化铪基铁电器件存储性能