北京大学王新强、王平、王涛团队在纤锌矿氮化物铁电半导体研究上取得重要进展
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行业动态
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发布时间：
2025-07-10
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近日，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、宽禁带半导体研究中心、人工微结构和介观物理全国重点实验室、纳光电子前沿科学中心王新强、王平和北京大学电子显微镜实验室王涛团队实验揭示了纤锌矿氮化物铁电半导体界面失效层的物理起源及调控方法。相关研究成果以“揭示纤锌矿铁电体的界面失效层”（Unveiling Interfacial Dead Layer in Wurtzite Ferroelectrics）为题，于2025年7月2日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。
纤锌矿结构氮化物铁电半导体材料，如钪铝氮（ScAlN）、钪镓氮（ScGaN）、钇铝氮（YAlN）、硼铝氮（BAlN），具有稳定铁电相、高居里温度、大剩余极化、可调矫顽电场、强压电性能以及与硅基和氮化镓基半导体工艺的高度兼容性，被视为新一代微纳电子、声学及光电器件的理想候选材料。尽管近年来在材料制备和器件研制上取得了重要进展，氮化物铁电半导体材料仍面临厚度微缩困难、极化疲劳严重、电流泄漏显著等严峻挑战，这些现象与界面铁电极化调控“失效层”密切相关。然而，界面失效层的形成机制及控制方法仍然缺乏的实验证据。
针对这一科学与技术问题，北京大学团队对分子束外延生长的单晶铁电ScAlN/GaN异质结进行了原子尺度的深入研究。实验发现，ScAlN/GaN异质界面附近的铁电极化调控失效起源于生长过程中形成的高密度氮空位以及界面压应变的共同作用。理论研究表明，压应变降低了氮空位的形成能，导致ScAlN薄膜生长过程中氮空位在界面附近聚集，这与实验观测一致。高密度氮空位的形成不仅导致材料介电性能退化，还提高了极化翻转势垒，而压应变则进一步加剧了后者。这些综合效应抑制了界面附近ScAlN极化的可逆性，导致铁电极化调控失效。该工作阐明了纤锌矿氮化物铁电半导体界面失效的微观起源，并指出了缺陷和应变工程对扩展其在先进电子、光电、光子和声学器件中应用的重要性，为未来在先进非易失存储、神经形态计算、射频通信和光电/声电融合等应用中的规模化推广奠定了基础。
图1.分子束外延生长的单晶铁电ScAlN/GaN异质结。
图2.铁电ScAlN极化翻转过程中的可逆原子位移。
图3.铁电ScAlN的界面极化调控失效层及其微观结构。
图4.氮空位对铁电ScAlN的影响。
图5.铁电ScAlN中应变、氮空位和极化翻转势垒之间的联系。
北京大学物理学院2019级博士研究生王锦林、华东师范大学2023级博士研究生李运琴、北京大学物理学院特聘副研究员王睿、2023级博士研究生刘琪、2020级博士研究生叶昊天为论文共同第一作者，王平、王涛、童文旖（华东师范大学研究员）、王新强为共同通讯作者。北京大学沈波教授、李新征教授、刘放副研究员、盛博文助理研究员、杨怀远博士，华东师范大学段纯刚教授，苏州实验室童祎研究员等合作者为本工作提供了重要指导与支持。
研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、苏州实验室科研基金、中国博士后科学基金、上海浦江项目、北京大学人工微结构与介观物理全国重点实验室、纳光电子前沿科学中心和北京大学电子显微镜实验室等支持。
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