铁电存储器作为新型非易失性存储器的一种,具有纳秒级的读写速度、低功耗、非易失以及抗辐照特性好等优势,非常适合应用于嵌入式存储器领域。2011年,德国研究人员提出并发现掺杂氧化铪（Hf O2）薄膜具备铁电性,使得铁电存储器又获得了高度关注。然而,经过了十年之久的研究,掺杂Hf O2铁电薄膜至今仍然没有在工业界实现应用。其面临的主要问题是操作电压较高,疲劳特性差等。此外,具有多晶结构的掺杂Hf O2铁电薄膜在先进纳米节点无法进一步微缩。为了解决这些问题,西安电子科技大学研究人员首次提出基于不定型薄膜栅介质可以实现类铁电特性,进而得到非易失存储器件,为高性能嵌入式存储、存内计算提供了一种新的选择。本论文详细研究了不定型类铁电薄膜的类铁电行为及其存储特性,利用原子层沉积（ALD）技术制备了栅介质厚度更小的不定型氧化铝Al2O3（3 nm）和Hf O2（2 nm）栅介质场效应晶体管,相比于掺杂Hf O2铁电薄膜,获得了更低的操作电压以及更加优异的疲劳特性。本论文主要研究内容和结论分为以下三部分:一、新型不定型类铁电薄膜研究利用ALD技术制备了不定型Al2O3和Hf O2薄膜电容,通过对其极化-电压（P-V）特性进行系统测试并表征,探究了厚度、退火温度、电极/衬底材料以及氧含量对不定型薄膜电容的类铁电特性的影响。结果表明,厚度与退火温度并不会对薄膜电容的类铁电特性产生影响。而具有Ta N电极和Ge衬底的薄膜电容具有最强的类铁电特性,并且随着臭氧处理处理时间的增加,薄膜电容类铁电特性随之增加。相比于不定型与Al2O3薄膜电容,不定型Hf O2薄膜电容的极化值要更大。通过对不定型Al2O3和Hf O2薄膜电容的疲劳特性进行表征,两种薄膜电容都展现出10~7次循环的疲劳特性,并且Pr没有衰减,疲劳期间没有出现唤醒效应。根据实验结果提出了氧空位电压调制和负电荷偶极子的开关模型,对其物理机制进行了解释。二、新型不定型类铁电栅介质场效应晶体管研究利用ALD技术制备了不定型Al2O3栅介质场效应晶体管以及不定型Hf O2栅介质场效应晶体管。利用透射电子显微镜（TEM）和P-V和电容-电压（C-V）测试证明了不定型Al2O3栅介质和不定型Hf O2栅介质场效应晶体管的类铁电特性。两种晶体管都获得了顺时针的直流回滞曲线,3 nm厚度不定型Al2O3栅介质场效应晶体管在脉冲幅值为±5.5 V,脉冲宽度为100 ns的编程/擦除电压下,获得了0.7 V的存储窗口。3 nm厚度的不定型Hf O2栅介质场效应晶体管,在栅极施加±3 V的编程/擦除电压时,可以得到0.64 V的存储窗口。两种晶体管都获得了10~6次循环的疲劳特性,并且循环过程中均未发生唤醒效应。为了降低器件尺寸,制备了不定型Al2O3栅介质Fin FET,获得了顺时针的直流回滞曲线。并且在500次循环中,其直流回滞曲线保持稳定。证明了其直流存储窗口的稳定性。在栅极施加±3 V的编程/擦除电压时,获得了0.64 V的存储窗口。并且测试了不定型Al2O3栅介质Fin FET的保持特性。在±6 V/1 ms的编程/擦除脉冲下经历2×10~3 s后,存储窗口保持有初始存储窗口的24%。证明了不定型类铁电栅介质场效应晶体管在存储领域的应用前景。三、新型不定型类铁电栅介质场效应晶体管突触特性研究测试了3 nm和6 nm厚度的不定型Al2O3栅介质场效应晶体管的突触可塑性。包括短时程可塑性（STP）、长时程可塑性（LTP）以及脉冲时间依赖可塑性（STDP）。在单个脉冲后,突触后电流在1μs内衰减到初始状态。而当脉冲数增加后,其突触后电流可以被调制到更高的状态,并且撤去脉冲后的突触后电流也并没有减小到初始状态。不定型Al2O3栅介质场效应晶体管也实现了脉冲时间依赖可塑性的模拟。通过改变脉冲时间间隔,研究了不同脉冲时间间隔对突触可塑性的影响。结果表明,随着间隔的减小,其突触后电流随脉冲数的增量逐渐增大,短时程可塑性变为长时程可塑性。使用基于积分-泄漏-发射（LIF）模型的三层全连接脉冲神经网络（SNN）来识别手写数字,并计算出高达80%的学习准确率。证明了不定型类铁电栅介质场效应晶体管是神经突触应用的理想选择。