用薄膜转移技术实现的高性能陶瓷电容存储器

随着高性能计算需求的增长，存内计算架构成为研究热点，旨在通过将数据存储与处理集成在同一硬件框架中，克服冯·诺依曼瓶颈（即存储器与处理器之间数据传输低效且耗能高的问题）。传统计算架构中，存储器与处理器间的远距离数据传输效率低、能耗高，而电阻式、磁阻式、相变等新兴非易失性存储器虽被视为存内计算候选方案，但在大规模阵列中面临静态功耗高、 sneak-path电流泄漏等问题，影响性能与能效。

铁电电容存储器（FeCAP）因低功耗、快速开关特性展现出巨大潜力。其基于铁电介质的极化相关电容行为实现数据存储，无需待机功耗，且开路特性无需额外选择器，适合高密度交叉阵列，是下一代存内计算系统的理想选择。目前，铪基铁电材料因与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容，成为FeCAP的主流技术，但存在存储窗口（两种极化状态下的电容差值，决定存储性能）小、开关能耗高等固有局限。相比之下，钛酸钡（BaTiO₃，BTO）等钙钛矿氧化物基铁电体具有高介电常数和低矫顽场（切换极化方向所需的电场），可直接提升FeCAP的存储窗口和降低工作电压，然而单晶BTO与CMOS技术的集成长期受晶格失配和工艺限制困扰。

本研究通过外延层转移技术，将单晶BTO薄膜制备成FeCAP器件并成功集成至CMOS平台。首先，通过器件结构和外延工艺工程，有效调控电容-电压（C-V）曲线的极化不对称性，解决了存储窗口与 retention（数据保持能力）之间的权衡问题。具体而言，通过选择不同功函数的电极材料（如钯作为顶电极）以及调控BTO与底电极（如钌酸锶，SRO）的界面缺陷（如将SRO层暴露于大气后再生长BTO），引入极化域不对称，实现零偏压下的非零存储窗口。

性能优化结果显示，该BTO基FeCAP创下308皮法的超大存储窗口和0.005兆伏/厘米的超低开关场强（切换存储状态所需的电场，越低越节能），显著优于传统铪基器件。同时，器件可靠性得到验证：经10⁷次循环后仍能保持稳定的高低电容状态（ endurance性能），远超铪基FeCAP通常的10³-10⁵次循环；在10⁴秒内数据保持稳定（retention性能）。

此外，研究通过化学剥离技术（利用水溶性牺牲层Sr₃Al₂O₆，SAO）实现BTO/SRO薄膜的外延剥离与硅衬底转移。X射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）等表征证实，转移后的BTO薄膜仍保持单晶特性和优异的铁电性能，与原始生长的异质结构性能相近。

该研究为高性能FeCAP与CMOS逻辑电路的单片三维集成提供了实用方案，使BTO成为垂直堆叠逻辑/存储系统的关键构建块，有望推动下一代人工智能加速器的发展。未来通过进一步优化生长条件、界面调控及采用三维电容结构（如沟槽或柱状结构），可实现更可控、可扩展的器件设计，提升高密度存内计算的精度与能效。