铁电随机访问存储器（FeRAM）基于铁电材料两个稳定的极化状态及其电可切换行为来实现二进制信息“1”和“0”的存储，具有操作速度快、耐用性高和能耗低等优点，被广泛应用于包括医疗、汽车电子、工业制造等领域。然而，现有的FeRAM技术面临着存储容量提升的技术挑战（主流商用产品的存储容量通常只有几个Mbit）。由于使用铁电钙钛矿氧化物材料，FeRAM存储单元难以兼容最先进的CMOS工艺节点，通过器件微缩以提升存储密度的方法面临技术瓶颈且成本高昂。铁电多位存储技术有望在提升FeRAM存储密度的同时规避器件尺寸微缩的技术瓶颈，其概念是利用铁电材料多个极化态来进行多位二进制信息的存储。虽然以往的工作已经成功在铁电器件中实现多个极化态的确定性调控，但这一策略在电路层面的可行性尚未得到证实，以及其与商用FeRAM的兼容性也不明确。

在传统的FeRAM中，铁电电容器极化态的读取通过基于翻转电荷的感测技术来实现，并映射到二进制信息的“1”或“0”。在这种操作原则下，n位信息的读取需要（2n-1）个感测放大器或（2n-1）步感测操作，这不可避免地会增加硬件开销和信号延迟。对于所有的多位存储技术，硬件开销和信号延迟是性能优化方面的两个主要权衡因素。

针对上述问题，中山大学材料学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室陈伟津教授课题组提出一种利用铁电电容器的多步极化翻转特性进行多位信息存取的策略。基于翻转电流感测技术，该策略仅需要单个感测放大器和单次操作就能实现不同铁电畴极化态的精准读取，并且具有纳秒级的操作速度，为商用铁电存储器产品的存储密度提升及存算一体操作的实现提供了有效途径。

图1 具有多畴结构的铁电器件极化翻转动力学

研究表明，当存在多种类型的铁电畴时，铁电薄膜在电脉冲驱动下的极化翻转可产生具有多峰位特征的瞬态翻转电流响应（图1a），并受电脉冲上升沿调控。铁电薄膜的多畴结构可通过缺陷工程引入晶体结构的不均匀来实现。结合超快脉冲测试及基于成核受限翻转模型的极化翻转动力学模拟，研究人员指出缺陷物会导致部分铁电畴的极化翻转活化场增加和内部电场分布展宽（图1b）。

图2 基于铁电多位存储器件的信息存取及存算一体操作

基于铁电电容器的多步极化翻转特性，研究人员在电路层面展示了多位二进制信息存取及以单层感知机为例的存算一体操作方案（图2a-c）。采用晶体管-电容器（1T-1C）电路架构及翻转电流感测技术可将4种铁电畴极化配置分别转换为2位二进制数字信号（11）、（10）、（01）和（00），等效于存储密度的翻倍，如图2d所示。此外，通过与CMOS神经元电路结合可实现基于铁电多位存储器的存算一体操作和图案分类功能（图2e）。

该成果以“Pulse-Modulated Polarization Switching Dynamics in Ferroelectric Thin Film for Circuit-Level Implementation of Multi-Bit FeRAM Cell”为题发表在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上。该工作由中山大学独立完成，物理学院博士研究生唐振洵为第一作者，材料学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室陈伟津教授与物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室郑跃教授为论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、广东省磁电物性分析与器件重点实验室、广东省磁电物性基础学科研究中心以及光电材料与技术国家重点实验室的大力支持。