导读

济南大学的杨锋副教授全面梳理了纤锌矿铁电薄膜物理领域的最新进展，深入探讨了典型纤锌矿铁电材料Al₁₋ₓScₓN中铁电性和相稳定性的根源。他不仅深入剖析了纤锌矿结构铁电性的基础理论，还细致研究了调控自发极化和矫顽场的机制。此外，杨教授还审视了Al₁₋ₓScₓN铁电器件领域的最新研究成果，并展望了这一极具潜力的材料未来的发展动向。

研究背景

在集成电路领域，铁电材料因其可切换的极化特性而扮演着关键角色，这一特性对于构建非易失性存储器尤为理想。具体来说，铁电材料的一个极化状态可以自然地对应于二进制中的“1”，而另一个状态则代表“0”，这使得铁电薄膜成为了二进制数据存储的理想选择。凭借其电场诱导的极化切换特性和持久的极化保持能力，铁电材料成为了低功耗非易失性存储器的主要候选材料。这一特性在神经形态计算领域尤为重要，因为在那里，超低能耗是至关重要的考量因素。例如，利用铁电场效应晶体管（FeFETs）实现的存内计算技术，不仅能够显著降低功耗，还能提升数据处理速度，从而在高效边缘智能应用中展现出巨大潜力。结合FeFETs与铁电隧道结（FTJs）的铁电存储器和逻辑器件，为人工智能、深度学习以及机器学习等领域的进步奠定了坚实的基础。

传统铁电材料往往拥有复杂的晶体结构，这在严格的半导体制造工艺要求下，带来了不小的集成难题，从而限制了其商业化进程。截至目前，能够与互补金属氧化物半导体（CMOS）后端线（BEOL）工艺相兼容的铁电材料，仅有2011年发现的掺杂氧化铪（HfO₂）以及2019年报道的铝钪氮化物（Al₁₋ₓScₓN）。其中，Al₁₋ₓScₓN作为一种具有开创意义的纤锌矿型铁电材料，展现出了卓越的性能：其极化值高达80–165 μC/cm²，矫顽场可在1.5–6.5 MV/cm范围内调节，且热稳定性极佳，能承受高达1100°C的高温。更令人瞩目的是，Al₁₋ₓScₓN能在低于350°C的温度下，于塑料基板上进行制造，展现出卓越的柔韧性和生物相容性。它与CMOS及III-N技术的良好兼容性，为将铁电材料融入氮化镓基、硅基和碳化硅基的晶体管中提供了理想的途径，并有望解决HfO₂基薄膜存在的唤醒效应和疲劳问题。

主要内容

济南大学的杨锋副教授全面梳理了纤锌矿铁电薄膜物理领域的最新进展，深入探讨了典型纤锌矿铁电材料Al₁₋ₓScₓN中铁电性和相稳定性的根源。他不仅深入剖析了纤锌矿结构铁电性的基础理论，还细致研究了调控自发极化和矫顽场的机制。此外，杨教授还审视了Al₁₋ₓScₓN铁电器件领域的最新研究成果，并展望了这一极具潜力的材料未来的发展动向。

图1. 纤锌矿铁电薄膜电子学

作者着重介绍了一种具有显著特性和创新意义的纤锌矿型铁电材料——Al₁₋ₓScₓN，该材料凭借大极化、可调的矫顽场、卓越的热稳定性以及与CMOS/III-N技术的良好兼容性而备受瞩目。该综述被精心划分为四个主要部分，分别聚焦于相稳定性、铁电性、基础理论及实际应用。内容广泛涉及Al₁₋ₓScₓN薄膜中Sc浓度的影响、化学键特性、离子配位竞争、开关势垒、应变效应、温度效应、频率依赖性和尺寸效应等多个方面，深入浅出地阐述了纤锌矿铁电的宏观与微观基础理论以及开关动力学机制。文章全面而深入地探讨了Al₁₋ₓScₓN的铁电性、相位稳定性的起源及其控制机制，同时直面了高工作电压和漏电流等现实挑战。此外，还概括了这一材料未来的发展方向，并着重强调了其在高端应用领域所展现出的巨大潜力。