論文背景
在集成電路領域，鐵電材料因其可切換的極化特性而扮演著關鍵角色，這一特性對于構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可以自然地對應于二進制中的“1”，而另一個狀態則代表“0”，這使得鐵電薄膜成為了二進制數據存儲的理想選擇。憑借其電場誘導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。這一特性在神經形態計算領域尤為重要，因為在那里，超低能耗是至關重要的考量因素。例如，利用鐵電場效應晶體管（FeFETs）實現的存內計算技術，不僅能夠顯著降低功耗，還能提升數據處理速度，從而在高效邊緣智能應用中展現出巨大潛力。結合FeFETs與鐵電隧道結（FTJs）的鐵電存儲器和邏輯器件，為人工智能、深度學習以及機器學習等領域的進步奠定了堅實的基礎。
傳統鐵電材料往往擁有復雜的晶體結構，這在嚴格的半導體制造工藝要求下，帶來了不小的集成難題，從而限制了其商業化進程。截至目前，能夠與互補金屬氧化物半導體（CMOS）后端線（BEOL）工藝相兼容的鐵電材料，僅有2011年發現的摻雜氧化鉿（HfO?）以及2019年報道的鋁鈧氮化物（Al???Sc?N）。其中，Al???Sc?N作為一種具有開創意義的纖鋅礦型鐵電材料，展現出了卓越的性能：其極化值高達80–165 μC/cm2，矯頑場可在1.5–6.5 MV/cm范圍內調節，且熱穩定性極佳，能承受高達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，于塑料基板上進行制造，展現出卓越的柔韌性和生物相容性。它與CMOS及III-N技術的良好兼容性，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和疲勞問題。
內容簡介
濟南大學的楊鋒副教授全面梳理了纖鋅礦鐵電薄膜物理領域的最新進展，深入探討了典型纖鋅礦鐵電材料Al???Sc?N中鐵電性和相穩定性的根源。他不僅深入剖析了纖鋅礦結構鐵電性的基礎理論，還細致研究了調控自發極化和矯頑場的機制。此外，楊教授還審視了Al???Sc?N鐵電器件領域的最新研究成果，并展望了這一極具潛力的材料未來的發展動向。
圖1. 纖鋅礦鐵電薄膜電子學
作者著重介紹了一種具有顯著特性和創新意義的纖鋅礦型鐵電材料——Al???Sc?N，該材料憑借大極化、可調的矯頑場、卓越的熱穩定性以及與CMOS/III-N技術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，分別聚焦于相穩定性、鐵電性、基礎理論及實際應用。內容廣泛涉及Al???Sc?N薄膜中Sc濃度的影響、化學鍵特性、離子配位競爭、開關勢壘、應變效應、溫度效應、頻率依賴性和尺寸效應等多個方面，深入淺出地闡述了纖鋅礦鐵電的宏觀與微觀基礎理論以及開關動力學機制。文章全面而深入地探討了Al???Sc?N的鐵電性、相位穩定性的起源及其控制機制，同時直面了高工作電壓和漏電流等現實挑戰。此外，還概括了這一材料未來的發展方向，并著重強調了其在高端應用領域所展現出的巨大潛力。
原文鏈接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aelm.202400279
DOI:10.1002/aelm.202400279
期刊簡介
期刊Advanced Electronic Materials重點發表物理：應用、材料科學：綜合、納米科技相關方向的文章。
該期刊是一個跨學科論壇，在材料科學，物理學，電子和磁性材料工程領域進行同行評審，高質量，高影響力的研究。除了基礎研究外，它還包括電子和磁性材料、自旋電子學、電子學、器件物理學和工程學、微納機電系統和有機電子學的物理和物理性質的研究。期刊最新引文指標為0.9，最新影響因子為5.3（2023）。
