西电芯片存储研究获突破 给芯片 " 延寿百倍 "！百亿次循环衰减仅 3%

人工智能与高性能计算飞速发展，下一代存储技术是决定算力上限的关键。

近日，西安电子科技大学郝跃院士团队联合香港城市大学、复旦大学取得重磅科研成果，精准破解困扰全球学界多年的芯片存储耐久性难题，一举将新型存储器件使用寿命提升百倍，为我国下一代高端存储芯片研发筑牢核心理论与技术根基。

氮空位限域稳定缺陷拓扑实现纤锌矿铁电超高耐久性机理图

直面读写衰减，捅破存储器件 " 寿命天花板 "

纤锌矿铁电存储被视作未来芯片的重要候选方向，但器件反复读写容易出现性能衰减，这是全球科研人员共同面对的技术瓶颈。郝跃院士团队追踪材料内部氮空位的演化规律，从原子层面揭示器件失效机理，依托空间与能量双重限域策略驯服微观缺陷，将器件稳定循环寿命提升百倍。

存储器是信息技术的基石。传统存储技术各有短板，很难兼顾全部指标。铁电存储器依靠材料原子尺度极化方向记录信息，如同无数微小 " 指南针 " 区分数字 0 和 1，潜力巨大。以氮化铝钪为代表的纤锌矿氮化物铁电材料被视作下一代存储的有力竞争者。但长期以来，反复读写下，寿命不足的短板难以突破。此前研究人员虽观察到漏电增加、铁电性能退化等现象，但始终没能厘清，在循环电场作用下，材料内部缺陷如何运动、演化，最终引发器件失效。

追踪氮空位，看清缺陷 " 迁徙全过程 "

合作团队中，韩根全、周久人教授团队综合运用电输运分析等手段，在原子尺度系统追踪循环电场下材料内部缺陷的动态演化，锁定 " 氮空位 " 这一关键微观缺陷——也就是晶体晶格上本该存在氮原子的位置出现空缺。

" 如果把铁电材料看作一片整齐的玉米地，氮空位就是田里缺苗的位置。" 团队成员形象地解释道，团队研究发现，器件失效的关键不在于 " 缺苗 " 数量多少，而是在反复通电后，氮空位会重新分布、局部聚集，甚至形成贯穿薄膜的长程迁移通道。缺陷的持续迁移带来两条失效路径。一方面，氮空位长程迁移形成漏电通道，造成器件击穿报废；另一方面，氮空位聚集还会耦合晶格取向变化，削弱材料存储极化信号的能力。

" 过去大家知道器件会失效，也看到了一些表面现象，但谁也没能在原子尺度上把‘谁在动、怎么动、动了以后怎么导致失效’这件事从头到尾讲清楚。" 团队成员、集成电路学部 2025 级博士研究生王瑞清说。这就相当于，团队画出了一张完整的 " 缺陷迁徙地图 "：这就像社区安全，隐患点数量只是一方面，更关键的是隐患点会不会连成一条风险链。

这项研究的核心突破，是把耐久性瓶颈从单纯的寿命测试指标，转化为基于原子尺度缺陷拓扑演化的物理问题，宏观器件寿命由此可以追溯到原子层面进行描述与计算。

设限域 " 围栏 "，走出试错的黑箱老路

找到失效的微观物理机制后，团队进一步提出 " 氮空位拓扑稳定 " 的缺陷调控概念，设计空间与能量协同干预方案。这套思路并非消除所有缺陷，而是主动调控缺陷迁移与重构行为，阻止缺陷形成贯通性的破坏性结构。

空间维度，团队构筑氮化铝钪 / 氮化铝铁电超晶格结构，利用周期性插入的氮化铝层充当物理 " 围栏 "，阻挡氮空位沿薄膜厚度方向长程迁移，切断贯穿性漏电通道。能量维度，引入动态恢复方法，打散局部聚集的氮空位，降低材料结构不均匀性。团队相关成员解释说，" 空间限域划定缺陷迁移范围，能量调控消除局部聚集，二者协同，缺陷就很难形成破坏器件的构型。"

两种手段共同保障氮空位结构在长期电应力下保持稳定。测试显示，这套方案制备的超晶格器件，在完全极化翻转条件下可实现超过 100 亿次循环耐久性，相比原有水平提升约两个数量级；器件经历 10 亿次循环后存储信号衰减控制在 3% 以内，缺陷分布趋于稳定，验证了调控策略有效。该研究同时实现科研范式升级，建立起 " 原子尺度缺陷追踪—跨尺度失效关联—基于机理定向调控 " 完整研究思路。

相关论文登上国际顶级学术期刊《Science》。该成果打通原子尺度缺陷行为和器件宏观可靠性之间的关联，为高可靠、高密度纤锌矿铁电存储器研发提供新的物理基础，也为下一代非易失存储材料设计开辟新路径，助力国产高端存储技术发展。

来源：西安日报 责编 闫含

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