導(dǎo)讀
濟(jì)南大學(xué)的楊鋒副教授全面梳理了纖鋅礦鐵電薄膜物理領(lǐng)域的最新進(jìn)展，深入探討了典型纖鋅礦鐵電材料Al???Sc?N中鐵電性和相穩(wěn)定性的根源。他不僅深入剖析了纖鋅礦結(jié)構(gòu)鐵電性的基礎(chǔ)理論，還細(xì)致研究了調(diào)控自發(fā)極化和矯頑場的機(jī)制。此外，楊教授還審視了Al???Sc?N鐵電器件領(lǐng)域的最新研究成果，并展望了這一極具潛力的材料未來的發(fā)展動向。
研究背景
在集成電路領(lǐng)域，鐵電材料因其可切換的極化特性而扮演著關(guān)鍵角色，這一特性對于構(gòu)建非易失性存儲器尤為理想。具體來說，鐵電材料的一個極化狀態(tài)可以自然地對應(yīng)于二進(jìn)制中的“1”，而另一個狀態(tài)則代表“0”，這使得鐵電薄膜成為了二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲的理想選擇。憑借其電場誘導(dǎo)的極化切換特性和持久的極化保持能力，鐵電材料成為了低功耗非易失性存儲器的主要候選材料。這一特性在神經(jīng)形態(tài)計算領(lǐng)域尤為重要，因為在那里，超低能耗是至關(guān)重要的考量因素。例如，利用鐵電場效應(yīng)晶體管（FeFETs）實現(xiàn)的存內(nèi)計算技術(shù)，不僅能夠顯著降低功耗，還能提升數(shù)據(jù)處理速度，從而在高效邊緣智能應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。結(jié)合FeFETs與鐵電隧道結(jié)（FTJs）的鐵電存儲器和邏輯器件，為人工智能、深度學(xué)習(xí)以及機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域的進(jìn)步奠定了堅實的基礎(chǔ)。
傳統(tǒng)鐵電材料往往擁有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，這在嚴(yán)格的半導(dǎo)體制造工藝要求下，帶來了不小的集成難題，從而限制了其商業(yè)化進(jìn)程。截至目前，能夠與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）后端線（BEOL）工藝相兼容的鐵電材料，僅有2011年發(fā)現(xiàn)的摻雜氧化鉿（HfO?）以及2019年報道的鋁鈧氮化物（Al???Sc?N）。其中，Al???Sc?N作為一種具有開創(chuàng)意義的纖鋅礦型鐵電材料，展現(xiàn)出了卓越的性能：其極化值高達(dá)80–165 μC/cm2，矯頑場可在1.5–6.5 MV/cm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，且熱穩(wěn)定性極佳，能承受高達(dá)1100°C的高溫。更令人矚目的是，Al???Sc?N能在低于350°C的溫度下，于塑料基板上進(jìn)行制造，展現(xiàn)出卓越的柔韌性和生物相容性。它與CMOS及III-N技術(shù)的良好兼容性，為將鐵電材料融入氮化鎵基、硅基和碳化硅基的晶體管中提供了理想的途徑，并有望解決HfO?基薄膜存在的喚醒效應(yīng)和疲勞問題。
主要內(nèi)容
濟(jì)南大學(xué)的楊鋒副教授全面梳理了纖鋅礦鐵電薄膜物理領(lǐng)域的最新進(jìn)展，深入探討了典型纖鋅礦鐵電材料Al???Sc?N中鐵電性和相穩(wěn)定性的根源。他不僅深入剖析了纖鋅礦結(jié)構(gòu)鐵電性的基礎(chǔ)理論，還細(xì)致研究了調(diào)控自發(fā)極化和矯頑場的機(jī)制。此外，楊教授還審視了Al???Sc?N鐵電器件領(lǐng)域的最新研究成果，并展望了這一極具潛力的材料未來的發(fā)展動向。
圖1. 纖鋅礦鐵電薄膜電子學(xué)
作者著重介紹了一種具有顯著特性和創(chuàng)新意義的纖鋅礦型鐵電材料——Al???Sc?N，該材料憑借大極化、可調(diào)的矯頑場、卓越的熱穩(wěn)定性以及與CMOS/III-N技術(shù)的良好兼容性而備受矚目。該綜述被精心劃分為四個主要部分，分別聚焦于相穩(wěn)定性、鐵電性、基礎(chǔ)理論及實際應(yīng)用。內(nèi)容廣泛涉及Al???Sc?N薄膜中Sc濃度的影響、化學(xué)鍵特性、離子配位競爭、開關(guān)勢壘、應(yīng)變效應(yīng)、溫度效應(yīng)、頻率依賴性和尺寸效應(yīng)等多個方面，深入淺出地闡述了纖鋅礦鐵電的宏觀與微觀基礎(chǔ)理論以及開關(guān)動力學(xué)機(jī)制。文章全面而深入地探討了Al???Sc?N的鐵電性、相位穩(wěn)定性的起源及其控制機(jī)制，同時直面了高工作電壓和漏電流等現(xiàn)實挑戰(zhàn)。此外，還概括了這一材料未來的發(fā)展方向，并著重強(qiáng)調(diào)了其在高端應(yīng)用領(lǐng)域所展現(xiàn)出的巨大潛力。
