近日，集成电路学院刘景全团队李秀妍副教授及合作者在国际知名学术期刊《Nature Communications》上发表了题为“Hidden structural phase transition assisted ferroelectric domain orientation engineering in Hf_0.5Zr_0.5O₂ films”（新型相变路径辅助的氧化铪锆铁电薄膜畴取向调控）的最新研究成果。该研究首次揭示了一种氧化铪基铁电材料从反铁电四方相到铁电正交相的潜在相变路径，为多晶氧化铪基薄膜中铁电畴取向的调控提供了新的思路。

研究背景

氧化铪基铁电材料自2011年发现以来因其良好的CMOS兼容性和尺寸微缩性能在集成电路非易失性存储领域展现出巨大的应用前景，受到学术和工业界的广泛关注。由于氧化铪基材料中铁电正交相是在四方相到单斜相转变过程形成的亚稳相，因此铁电薄膜材料一般呈现多晶多相特征，这为铁电畴取向以及极化强度的调控带来了很大的挑战。

研究思路

本研究着眼于四方相到正交相的微观相变路径，提出通过同时实现传统和潜在的相变路径，使多种取向的四方相都能转变为能够完全贡献面外极化强度的(010)和(001)取向的正交相，从而在多晶氧化铪基薄膜中实现铁电畴取向及极化强度的调控（见图1）。

图1 基于Hf_0.5Zr_0.5O₂中四方相（T）到正交相（O）相变路径调控的铁电畴取向调控思路示意图

基于这一创新思路，研究团队采用(001)、(110)和(111)三种取向的单晶氮化钛（TiN）衬底和原子层沉积技术制备了铁电氧化铪锆薄膜（Hf_0.5Zr_0.5O₂）及电容器件，并基于同步辐射X射线、透射电子显微镜以及电学表征表征确认了（001）和（111）氮化钛衬底上氧化铪锆薄膜中(010)和/或(001)正交相铁电畴择优取向的实现以及极化强度的调控（见图2-3）。

图2 在不同取向TiN衬底上的Hf_0.5Zr_0.5O₂中正交相区域的透射电子显微镜图像，显示了铁电畴择优取向的调控

图3 不同取向TiN衬底上的Hf_0.5Zr_0.5O₂电容器的电学测试结果，显示了基于畴取向调控的极化强度调控

此外，通过热场原位X射线以及热场原位透射电子显微镜技术观察到了两种四方相到铁电正交相的微观动态相变路径，包括已经提出的四方相长轴转变为正交相长轴的传统相变路径以及新发现的四方相长轴转变为正交相短轴的潜在路径，并深入探讨了潜在相变路径产生的物理机制（见图4）。

图4 Hf_0.5Zr_0.5O₂在TiN (001)衬底上新发现的T-O相变路径及其形成机制分析

该工作不仅为氧化铪基铁电薄膜的铁电畴取向调控提供了新方法，还为未来高性能铁电器件的设计与优化开辟了新思路。

作者及论文信息

上海交通大学集成电路学院博士研究生范雨妍为论文第一作者，复旦大学李文武教授、中科院宁波材料技术与工程研究所曹彦伟研究员、中国科学技术大学王臻研究员和上海交通大学集成电路学院李秀妍副教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

范雨妍

李秀妍

李秀妍，上海交通大学集成电路学院长聘副教授，国家级高层次青年人才。2015年在日本东京大学获得博士学位，随后在美国罗格斯大学从事博士后研究，2018年底加入上海交通大学。长期致力于集成电路铪基高k和铁电材料和器件研究，在Nature Communications、IEDM等领域内知名期刊和会议发表文章50余篇，并承担国家自然科学基金重大研究计划培育项目、面上项目、青年项目、国际学术合作项目、上海市集成电路领域基础研究项目、华为技术合作开发项目等研究课题。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59519-2