近日，北京大學物理學院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所、寬禁帶半導(dǎo)體研究中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理全國重點實驗室、納光電子前沿科學中心王新強、王平和北京大學電子顯微鏡實驗室王濤團隊實驗揭示了纖鋅礦氮化物鐵電半導(dǎo)體界面失效層的物理起源及調(diào)控方法。相關(guān)研究成果以“揭示纖鋅礦鐵電體的界面失效層”（Unveiling Interfacial Dead Layer in Wurtzite Ferroelectrics）為題，于2025年7月2日發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。

纖鋅礦結(jié)構(gòu)氮化物鐵電半導(dǎo)體材料，如鈧鋁氮（ScAlN）、鈧鎵氮（ScGaN）、釔鋁氮（YAlN）、硼鋁氮（BAlN），具有穩(wěn)定鐵電相、高居里溫度、大剩余極化、可調(diào)矯頑電場、強壓電性能以及與硅基和氮化鎵基半導(dǎo)體工藝的高度兼容性，被視為新一代微納電子、聲學及光電器件的理想候選材料。盡管近年來在材料制備和器件研制上取得了重要進展，氮化物鐵電半導(dǎo)體材料仍面臨厚度微縮困難、極化疲勞嚴重、電流泄漏顯著等嚴峻挑戰(zhàn)，這些現(xiàn)象與界面鐵電極化調(diào)控“失效層”密切相關(guān)。然而，界面失效層的形成機制及控制方法仍然缺乏的實驗證據(jù)。

針對這一科學與技術(shù)問題，北京大學團隊對分子束外延生長的單晶鐵電ScAlN/GaN異質(zhì)結(jié)進行了原子尺度的深入研究。實驗發(fā)現(xiàn)，ScAlN/GaN異質(zhì)界面附近的鐵電極化調(diào)控失效起源于生長過程中形成的高密度氮空位以及界面壓應(yīng)變的共同作用。理論研究表明，壓應(yīng)變降低了氮空位的形成能，導(dǎo)致ScAlN薄膜生長過程中氮空位在界面附近聚集，這與實驗觀測一致。高密度氮空位的形成不僅導(dǎo)致材料介電性能退化，還提高了極化翻轉(zhuǎn)勢壘，而壓應(yīng)變則進一步加劇了后者。這些綜合效應(yīng)抑制了界面附近ScAlN極化的可逆性，導(dǎo)致鐵電極化調(diào)控失效。該工作闡明了纖鋅礦氮化物鐵電半導(dǎo)體界面失效的微觀起源，并指出了缺陷和應(yīng)變工程對擴展其在先進電子、光電、光子和聲學器件中應(yīng)用的重要性，為未來在先進非易失存儲、神經(jīng)形態(tài)計算、射頻通信和光電/聲電融合等應(yīng)用中的規(guī)模化推廣奠定了基礎(chǔ)。

圖1.分子束外延生長的單晶鐵電ScAlN/GaN異質(zhì)結(jié)。

圖2.鐵電ScAlN極化翻轉(zhuǎn)過程中的可逆原子位移。

圖3.鐵電ScAlN的界面極化調(diào)控失效層及其微觀結(jié)構(gòu)。

圖4.氮空位對鐵電ScAlN的影響。

圖5.鐵電ScAlN中應(yīng)變、氮空位和極化翻轉(zhuǎn)勢壘之間的聯(lián)系。

北京大學物理學院2019級博士研究生王錦林、華東師范大學2023級博士研究生李運琴、北京大學物理學院特聘副研究員王睿、2023級博士研究生劉琪、2020級博士研究生葉昊天為論文共同第一作者，王平、王濤、童文旖（華東師范大學研究員）、王新強為共同通訊作者。北京大學沈波教授、李新征教授、劉放副研究員、盛博文助理研究員、楊懷遠博士，華東師范大學段純剛教授，蘇州實驗室童祎研究員等合作者為本工作提供了重要指導(dǎo)與支持。

研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、蘇州實驗室科研基金、中國博士后科學基金、上海浦江項目、北京大學人工微結(jié)構(gòu)與介觀物理全國重點實驗室、納光電子前沿科學中心和北京大學電子顯微鏡實驗室等支持。

論文原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61291-2

來源: 北京大學物理學院