第一作者：Suraj S. Cheema, Nirmaan Shanker, Shang-Lin Hsu

通訊作者：Sayeef Salahuddin、Suraj S. Cheema

通訊單位：美國加州大學伯克利分校

論文速覽：

本研究報道了基于HfO2-ZrO2薄膜微電容器的極高靜電能量存儲密度(ESD)和功率密度(PD)，通過三種方法實現了顯著提升：首先，通過場驅動的負電容效應增強了反鐵電HfO2-ZrO2薄膜的電荷存儲能力；其次，通過反鐵電超晶格工程提升了能量存儲性能；最后，將超晶格集成到三維硅電容器中，大幅提高了單位面積的能量存儲。

這些方法的結合克服了傳統電容器容量-速度的權衡，實現了在BEOL兼容工藝中集成的高密度、超快充電薄膜微電容器，為電子微系統的能源存儲和功率輸出提供了顯著的性能提升。

圖文導讀：

圖1 | 通過鐵電相工程和負電容在HfO2-ZrO2中實現超高能量存儲。展示了HfO2-ZrO2二元氧化物薄膜的介電-鐵電-反鐵電相空間，以及電容量、可逆存儲電荷和靜電能量存儲密度隨電場的變化。

圖2 | 通過HZO-Al2O3負電容超晶格擴展總能量存儲。比較了連續HZO薄膜和HZO-Al2O3超晶格薄膜的橫截面高分辨率透射電鏡圖像，以及兩種方法的厚度演變和電容-電場行為。

圖3 | 3D集成的反鐵電負電容微電容器在硅上的應用。展示了HZO-Al2O3超晶格在3D硅溝槽電容器中的TEM映射，以及與2D平面電容器相比，3D溝槽電容器在提升單位面積能量存儲方面的性能。

亮點介紹：

1. 實現了基于HfO2-ZrO2薄膜微電容器的破記錄靜電能量存儲密度(ESD)和功率密度(PD)。

2. 通過場驅動的負電容效應，顯著提升了反鐵電HfO2-ZrO2薄膜的電荷存儲能力。

3. 利用反鐵電超晶格工程，突破了傳統HfO2-ZrO2薄膜厚度限制，實現了能量存儲性能的線性擴展。

4. 將超晶格集成到三維硅電容器中，實現了超過100倍的單位面積能量存儲提升。

5. 該研究為電子微系統的能源存儲和功率輸出提供了顯著的性能提升，推動了BEOL兼容工藝中高密度、超快充電微電容器的集成。

文獻信息：

標題：Giant energy storage and power density negative capacitance superlattices

期刊：Nature