铪基氧化物具有丰富的物理效应，在晶体管的高K/金属栅结构中得到广泛应用。2011年，掺杂氧化铪被首次发现具有铁电效应，引起了产业界和学术界的极大关注。氧化铪基铁电薄膜具有优越的微缩特性，单胞尺度下偶极子仍可独立翻转，其不仅保持了传统铁电良好的极化特性，同时克服了传统铁电材料与CMOS工艺不兼容、尺寸微缩困难、难以实现高密度集成的技术难点和瓶颈，在逻辑器件和存储器件中有着极大的应用潜力。

然而，与传统铁电材料不同，产业界采用成熟ALD工艺制备的铪基氧化物薄膜是多晶材料，多种晶相、晶界和界面共存的复杂性使得氧化铪基铁电薄膜结构表征十分困难，一直缺乏直观有效的表征手段。再加上HfO₂多种晶相的结构十分相似，如何将它们通过实验的手段进行有效区分是目前氧化铪基铁电薄膜结构表征最大的难点和瓶颈之一，这极大制约了材料和器件性能的优化与调控。

近日，实验室团队在Nature Communications在线发表题为“Reversible transition between the polar and antipolar phases and its implications for wake-up and fatigue in HfO₂-based ferroelectric thin film”的研究论文，首次通过实验给出了铪基铁电薄膜180°畴壁的原子结构，根据氧离子在单胞结构中极化方向的不同分别表现为Pca2₁极性正交相和Pbca反极性正交相，两种结构之间发生的可逆转变分别对应了铪基铁电器件的唤醒与失效，证实了铪基铁电偶极子的极化翻转可以仅局限在半个单胞宽度（~2.5Å），阐明了其物理本质为可逆的以单胞为单位的极性-非极性结构相变，为提升铁电器件寿命、调节剩余极化，指明了结构调控方向。

图1. 铁电器件经过唤醒过程后表现为Pca2₁极性正交结构为主。

图2. 铁电器件经过失效过程后表现为Pbca反极性正交结构为主。

该工作由华东师范大学与中科院微电子研究所、国立首尔大学、韩国科学技术院、釜山大学和华中科技大学等单位合作完成，实验室为论文第一完成单位，成岩副研究员和高兆猛博士为论文第一作者，国立首尔大学C.S. Hwang院士、中科院微电子研究所吕杭炳研究员为论文通讯作者。该工作同时依托华东师范大学公共创新服务平台电镜中心，并得到国家自然基金委、中国科学院先导专项等项目的支持，这也是实验室在继第41届超大规模集成电路国际研讨会（2021 VLSI Technology）、第67届IEEE国际电子器件会议（2021 IEDM）后，在铪基铁电研究领域取得的又一项突破性成果。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28236-5