?近日，北京大學(xué)物理學(xué)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(xué)中心王新強、王平和北京大學(xué)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(xué)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)。

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針對這一科學(xué)與技術(shù)問題，北京大學(xué)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(xué)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(xué)物理學(xué)院2019級博士研究生王錦林、華東師范大學(xué)2023級博士研究生李運琴、北京大學(xué)物理學(xué)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(xué)研究員）、王新強為共同通訊作者。北京大學(xué)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(xué)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。

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研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、蘇州實驗室科研基金、中國博士后科學(xué)基金、上海浦江項目、北京大學(xué)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(xué)中心和北京大學(xué)電子顯微鏡實驗室等支持。

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

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來源: 北京大學(xué)物理學(xué)院