AlScN/AlN超晶格铁电存储耐久性超100亿次，中国团队破解氮空位失效难题

最近，一项来自中国科研团队的存储技术成果登上《Science》。研究人员重新设计了材料结构，并成功控制材料内部一种极微小的原子级缺陷，让纤锌矿铁电材料的电写入耐久性突破 100 亿次。在完整极化翻转条件下，器件依然能够稳定工作。

这项研究由西安电子科技大学、香港城市大学和复旦大学等机构的研究人员共同完成。论文于 2026 年 9 月 10 日发表在《Science》，核心目标就是解决纤锌矿铁电材料在长期反复写入后容易失效的问题。相比此前约 1 亿次循环的耐久水平，这次实验做到了超过 100 亿次循环，提升约两个数量级，也就是大约 100 倍。

新型存储材料遇到的瓶颈

随着 AI 计算 的快速发展，存储器必须同时应对更高速度、更低功耗和更高写入耐久性的多重需求。铁电存储器一直是研究者关注的方向之一，其中纤锌矿铁电材料具有较大的剩余极化，与现有半导体制造工艺的兼容潜力也较好。

氮化铝钪（AlScN）就是这类材料中的典型代表。它能利用铁电极化状态保存数据，断电之后信息依然不会丢失，因此具备发展非易失性存储器的潜力。

然而，材料的长期可靠性始终是个硬骨头。过去实验发现，这类器件经历大量电写入之后，性能会逐步劣化，最终走向击穿。进一步追踪后，研究人员发现问题并不只出在宏观电学性能变化上，而与材料内部的氮空位直接相关。

破解失效机制的关键

所谓氮空位，就是晶格中原本应该存在氮原子的位置出现了缺失。这类缺陷在材料中并不稀奇，但在持续电场作用下，它们并不会老老实实待在原地。

研究团队发现，反复进行极化翻转时，氮空位可能发生迁移和聚集，逐渐形成有利于电流通过的缺陷通道。随着通道不断扩展，漏电随之增加，最终可能导致材料发生介电击穿，器件的铁电性能也就跟着垮掉。

真正的突破恰恰就在这里。研究人员没有简单地把氮空位当成一种无法避免的材料缺陷，而是深入研究了它们在电场中的运动规律，并据此重新设计材料结构。这种思路值得思考：与其被动接受缺陷，不如主动限制缺陷的行为——这难道不是材料工程里更本质的解法吗？

团队构建了 AlScN/AlN 超晶格结构，同时结合动态恢复机制，对氮空位的迁移和聚集进行限制。这样做能够减少缺陷长距离移动形成连续通道的机会，从材料内部阻止失效过程持续扩大。

写入超过100亿次

经过结构优化后，研究人员实现了超过 10¹⁰ 次——也就是 100 亿次——的完整极化翻转，同时保持了较高的剩余极化水平。

这个数字的分量在于，过去限制纤锌矿铁电存储器发展的关键障碍之一，就是反复写入后可靠性容易掉链子。如今通过控制氮空位运动，器件耐久性从约 10⁸ 次推进到 10¹⁰ 次以上，直接跨越了两个数量级。对于需要频繁更新数据的场景来说，这样的提升空间相当可观。

对未来的存储技术而言，这种耐久性提升意义重大。写入次数增加后，铁电存储器能够覆盖更频繁的数据更新场景，也为高密度、低功耗非易失性存储打开了更大的应用空间。

不过，从实验室成果到商业芯片仍然存在距离。实际产品还需要经过制造工艺、芯片规模化集成、长期可靠性以及成本等方面的进一步验证。因此，目前更适合把它看作材料和器件层面的重要突破，而不是已经可以替代现有存储产品的成熟方案。

从材料缺陷入手解决存储寿命

这项研究值得关注的地方，不只是“100 亿次”这个数字本身，更在于研究人员找到了材料失效背后的微观原因，并通过结构设计限制了缺陷运动。

随着芯片尺寸不断缩小，存储器的性能和可靠性越来越受制于材料内部的微观结构。一个氮原子的缺失、一次缺陷迁移，都可能最终影响整颗器件的寿命。这次研究为纤锌矿铁电材料解决耐久性问题提供了新的思路，也让高耐久铁电存储器距离实际应用又近了一步。

对于未来 AI 计算来说，更高耐久、更低功耗的存储技术同样是提升整个计算系统效率的重要方向。从材料缺陷的微观控制出发，或许正是下一代存储器件走出实验室的关键路径。