背景介绍

随着先进集成电路持续向高密度、低功耗和三维集成方向发展，兼具纳米尺度可扩展性、CMOS 工艺兼容性以及优异电学性能的 HfO₂ 基功能薄膜受到广泛关注。其中，Hf_xZr_1-xO₂（HZO）反铁电薄膜具有典型的双回线极化特性，不仅有望利用较高耐久性和较低工作电压服务于新型非易失存储器，同时其可逆的场诱导极化转变也使其在高能量密度静态储能电容器等领域表现出重要应用潜力。然而，HfO₂基铁电/反铁电器件在反复电场循环过程中普遍存在明显的唤醒效应（wake-up effect）：随着电循环进行，器件的极化响应和滞回窗口逐渐发生变化。对于铁电 HfO₂，相关机制已经得到较多研究，而对于具有双滞回回线以及两条独立场诱导相变路径的反铁电 HZO，电场循环如何改变器件内部缺陷分布，以及这些变化如何分别影响正向和负向极化过程，仍缺乏清晰认识。

尤其值得关注的是，唤醒效应对不同应用并非具有相同影响。对于非易失存储器，适当的唤醒有助于扩大极化窗口；而对于储能电容器，过度的回线打开则可能增加能量损耗并降低储能效率。因此，理解唤醒从何而来，并进一步实现针对不同应用场景的主动调控，是反铁电 HZO 器件走向实际应用的重要科学问题。

针对上述问题，中国科学院微电子研究所罗庆研究员团队围绕反铁电 HZO 电容器中的唤醒行为开展了系统研究。研究人员通过设计具有空间选择性的单极性唤醒实验，在同一器件中构造“已唤醒”和“未唤醒”区域，并结合 EDS、EELS 等微观表征手段，直接追踪电场循环过程中氧空位相关缺陷的空间演变，最终揭示了反铁电 HZO 中以界面带电氧空位定向迁移与重新分布为主导的唤醒机制。

成果简介

该团队系统研究了反铁电 HZO 电容器在电场循环过程中的唤醒行为，并通过设计单极性唤醒测试，实现了器件正、负极化分支的选择性唤醒。结果表明，反铁电 HZO 的两个极化方向可以相对独立地发生唤醒，为进一步解析其微观机制提供了直接实验依据。结合 EDS 和空间分辨 EELS 表征发现，反铁电 HZO 的唤醒主要来源于电极/HZO 界面附近带电氧空位的定向迁移与重新分布。电场循环使界面附近氧空位富集程度降低，从而削弱缺陷诱导的内部偏置场，提高器件内部有效电场，并促进极化转变，最终表现为明显的唤醒效应。进一步研究表明，唤醒效应对不同应用具有不同影响：增强唤醒有利于扩大非易失存储器的极化窗口，而抑制过度唤醒则有助于维持较高的储能效率和储能密度。 基于这一规律，研究提出了通过循环电压和频率调控唤醒程度的应用导向型优化策略，为反铁电 HZO 器件在存储与储能领域的性能调控提供了新的思路。

作者简介

王修義、何智权为论文共同第一作者，王渊、罗庆为论文通讯作者。研究团队来自中国科学院微电子研究所。

文章信息

Wang X, He Z, Yang Y, et al. Revealing wake-up mechanism in antiferroelectric Hf_xZr_1−xO₂ capacitors through spatially selective wake-up. Nano Research, 2026, https://doi.org/10.26599/NR.2026.94909187.

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