第71届电气电子工程师学会（IEEE）国际电子器件会议（International Electron Devices Meeting，IEDM）于12月6日至10日在美国旧金山举行。山东大学信息科学与工程学院陈杰智教授团队四篇研究论文在大会发表，研究工作由山东大学、新加坡国立大学与中国科学院微电子研究所等单位合作完成。

入选论文包括：“Imprint-centric Retention Loss in HfO₂-baed Ferroelectric Thin Films: Charge-assisted Defect Migration and Trap Neutralization Strategy”（山东大学博士生李晓鹏与窦小禹为共同第一作者），“First Demonstration of BEOL-compatible Stacked Nanosheet FeFETs Achieving Enhanced Area Efficiency and Record Memory Window”（山东大学博士生冯扬与新加坡国立大学博士生王啸林为共同第一作者），“Sub-10 nm Fully Atomic-Layer-Deposited MFM Stack with Enhanced Reliability: Record-lowI_leakageand Record-highE_BDin 3 nm Ferroelectric HZO”（新加坡国立大学博士生王啸林与山东大学博士生冯扬为共同第一作者）和“Voltage-Driven HZO/Pt-nanocluster-based Magnetoelectric Devices with Low Thermal-Budget (400 ℃) and Ultra-Low Energy Consumption”（中科院微电子所博士生龚帅宇、博士后李彦如与山东大学博士生李晓鹏为共同第一作者）。

随着人工智能、大模型和高性能计算的迅猛发展，现代计算体系在算力、能效和集成度方面正面临前所未有的挑战。传统冯·诺依曼架构因处理器与存储器物理分离，长期受限于“存储墙”引发的带宽瓶颈和高能耗等问题，难以支撑人工智能应用对海量数据高效处理的需求。为突破这一结构性瓶颈，新型非易失性存储器和三维集成技术成为了后摩尔时代高能效计算的关键研究方向。上述四篇论文围绕新型铪基铁电存储器可靠性机理、低功耗逻辑器件设计等前沿领域展开研究，具体内容如下：

新型铪基铁电薄膜因其高速度、低功耗和良好的CMOS兼容性，近年来备受学术界与工业界关注，是后摩尔时代三维集成存储技术的关键材料之一。然而，保持特性作为存储器关键性能指标，其退化的物理机制还不明确，尚缺乏系统的理论模型与有效的调控策略。针对该问题，课题组系统研究了新型铪基铁电薄膜在宽温区的保持行为，揭示了保持损耗与印记效应的本征关联，首次提出温度激活印记模型并发展了高精度铁电芯片寿命预测技术，并基于其退化物理基础设计了针对性优化策略。该工作建立了从测试表征到原子尺度机制的统一模型，为高可靠性铪基铁电器件的集成设计提供了新思路。论文由山东大学信息科学与工程学院独立完成，2023级硕博连读生李晓鹏与2025级硕博连读生窦小禹为共同第一作者，陈杰智教授与武继璇研究员为共同通讯作者。

铪基铁电薄膜保持特性分析

当铪基铁电薄膜厚度缩减至亚4nm尺度时，铁电性快速衰减、漏电显著增大、击穿电场下降等问题成为限制进一步微缩器件尺寸的核心瓶颈。针对该问题，课题组联合新加坡国立大学龚萧教授团队，共同开展了超薄铁电器件的系统性研究，制备了全ALD工艺集成的9 nm厚度的金属–铁电–金属堆叠结构（3nm TiN/3nm HZO/3nm TiN），实现了多项关键性能指标的重大突破：低矫顽电压（2Vc< 0.65 V）、极低漏电密度（<10^-3A/cm²@3 MV/cm）、超高击穿电场（E_BD> 9.5 MV/cm）以及超过10¹¹次循环的耐久度，综合性能达到当前国际上3 nm铁电薄膜的最佳水平。该成果为未来超高密度、超低功耗的三维铁电存储芯片发展奠定了重要基础，并因此获得了2025 IEDM Best Student Paper Award提名。新加坡国立大学博士生王啸林和山东大学信息科学与工程学院2021级直博生冯扬为共同第一作者，陈杰智教授和新加坡国立大学龚萧教授为共同通讯作者。

超薄9 nm MFM结构铁电电容性能分析

针对目前氧化物半导体沟道FeFET面临的擦除能力弱、存储窗口不足以及单层沟道结构难以满足结构缩放等瓶颈，课题组与新加坡国立大学龚萧教授团队从“三维堆叠FeFET架构创新”角度切入，首次提出并制备了后段工艺兼容的三层堆叠纳米片3D FeFET架构。该工作通过将三层氧化物半导体沟道与铁电介质薄膜集成，构建了MFMIS（金属-铁电-金属-介质层-半导体）三维结构，解决了传统氧化物半导体沟道FeFET擦除能力弱与存储窗口不足的问题，在HZO薄膜上实现了超过4 V的超大存储窗口。同时，多层堆叠结构使沟道面积较平面器件减少超过80%，并在50 nm超短沟道器件中仍保持电学特性稳定，器件耐久性超过3×10¹⁰次，展现出优异的可靠性与可缩放性。该研究突破了BEOL FeFET架构在密度、能效和工艺兼容性方面的限制，为实现大规模、低功耗、高能效的单片3D集成存储与计算系统提供了新的技术路径。山东大学信息科学与工程学院2021级直博生冯扬和新加坡国立大学博士生王啸林为共同第一作者，陈杰智教授与新加坡国立大学龚萧教授为共同通讯作者。

三维堆叠纳米片铁电晶体管及关键性能

目前，传统电流驱动式自旋器件普遍面临高能耗问题，而电压驱动磁电器件虽具备超低写入能耗优势，却在CMOS工艺兼容性方面面临衬底材料与加工温度等挑战。围绕这一问题，课题组与中国科学院微电子研究所等单位联合开发出一种基于“铪基铁电-Pt/Co纳米团簇”结构的新型磁电器件。该器件通过Pt纳米团簇对Co-O键合行为及铪基铁电层中氧迁移过程的精细调控，实现了低能耗的电压驱动磁反转。该成果为构建CMOS兼容的低功耗磁电逻辑与存储集成技术提供了重要支撑。中科院微电子所博士生龚帅宇、博士后李彦如与山东大学信息科学与工程学院2023级硕博连读生李晓鹏为共同第一作者，武继璇研究员与中科院微电子所杨美音副研究员、罗军研究员为共同通讯作者。

铪基铁电-Pt/Co纳米团簇磁电器件示意图

上述研究工作得到了国家科技部重点研发计划项目，国家自然科学基金重点项目、重大研究计划项目、青年学生基础项目（博士生）和国家公派留学基金等科研项目的资助。

IEDM始于1955年，是全球报道半导体及电子器件领域最新的科技、设计、制造、物理及建模的主要论坛，也是世界半导体产业界各知名企业和学术机构报告其最新研究成果和技术突破的主要窗口和平台。IEDM影响力巨大，与IEEE Symposium on VLSI Technology（即“集成电路技术国际会议”）并列为微电子器件领域中权威性最高的两个顶级会议，每年Intel、IBM、Samsung和TSMC等国际知名半导体公司都在IEDM大会上发布各自最新研究进展。