基于超薄铝钪氮化物与二维沟道的低压铁电场效应晶体管研究

《Device》：Low-voltage ferroelectric field-effect transistors with ultrathin aluminum scandium nitride and 2D channels

本刊推荐：为应对CMOS技术对低功耗的迫切需求，研究人员开展了基于超薄Al1-xScxN（5-10 nm）与二维MoS2沟道的铁电场效应晶体管（FeFET）研究。通过优化Sc含量、界面工程和制备工艺，成功将器件开关电压降至3 V以下，实现了低电压操作和非易失性存储功能。该研究为未来能效计算范式提供了关键器件解决方案。

　　

随着大数据处理和多元优化计算需求的爆炸式增长，传统CMOS技术正面临日益严峻的功耗挑战。特别是在移动设备和物联网终端中，如何在不牺牲性能的前提下降低能耗已成为行业焦点。铁电材料因其独特的自发极化特性，能够在移除外部电场后保持极化状态，为开发兼具存储与逻辑功能的双用途存储器提供了新思路。将这两种功能整合到单一器件中，可以显著减小器件尺寸并提高能效。

然而，实现这一愿景面临重大技术瓶颈：常规铁电材料如锆钛酸铅（PZT）需要较高的操作电压，且与标准CMOS工艺兼容性差。近年来发现的铝钪氮化物（Al_1-xSc_xN）铁电材料，虽然具有较高的剩余极化强度和较低的生长温度，但其高矫顽场（~3-5 MV/cm）导致操作电压过高，限制了实际应用。特别是在器件厚度减薄至10纳米以下时，界面晶格畸变和压应变会进一步增大矫顽场，使得实现低压操作更加困难。

针对这一挑战，宾夕法尼亚大学Deep Jariwala团队在《Device》上发表了创新性研究成果。他们通过将超薄Al_1-xxN铁电薄膜与二维二硫化钼（MoS₂）沟道相结合，成功制备出开关电压低于3V的铁电场效应晶体管（FeFET），为低功耗逻辑和非易失性存储器应用开辟了新途径。

研究团队采用了多项关键技术方法：使用溅射法在蓝宝石衬底上制备Al/Al_1-xSc_xN叠层结构；通过干法转移和湿法转移两种工艺集成MOCVD生长的MoS₂单层和机械剥离的MoS₂薄片；利用电子束光刻和热蒸发技术制作源漏电极；采用原子层沉积（ALD）生长Al₂O₃绝缘层进行器件隔离；使用参数分析仪进行电学表征和脉冲测量。

FeFET设计结构

研究团队构建了Al/Al_1-xSc_xN/2D MoS₂堆叠结构的器件，以蓝宝石为衬底，铝作为背栅电极，铟/金（In/Au）作为源漏接触。通过双向扫描传输测量观察到典型的反磁滞现象：在负向正栅压扫描时电流值较低，而正向负扫描时电流值较高，形成逆时针磁滞回线。然而，在所有器件中都观察到了磁滞行为从逆时针向顺时针的交叉点，这一现象与栅压范围（V_GS=±0.5至±4V）和漏电压（V_DS=0.1, 0.5, 1V）无关，表明开启电压系统性正向偏移。

铁电时域响应

测量速率对磁滞行为有显著影响：较快速率导致较小磁滞，较慢速率因电荷注入增加而产生较大磁滞。在最快测量速率下，逆时针区域最宽且开关比最大。脉冲测量（500纳秒方波）在V_GS=±2至±5V范围内保持纯逆时针行为，表明脉冲持续时间短至陷阱电荷无法有效捕获。5纳米Al_0.72Sc_0.28N器件在±3V范围内显示出约10⁵的高开关比，对应Al_1-xSc_xN偶极子取向切换。

铁电薄膜厚度

相比10纳米Al_0.68Sc_0.32N器件，5纳米Al_0.72Sc_0.28N具有更高的有效载流子迁移率，导致更高开态电流。减薄铁电厚度使逆时针磁滞区域占主导地位：10纳米器件交叉点约在V_GS=0V，而5纳米器件降至V_GS<-1.2V。但5纳米器件的主要限制是磁滞窗口减小，这源于Al_1-xSc_xN表面自然氧化形成的(AlSc)_xO_y层（约3纳米厚），增加了栅电容从而缩小存储窗口。

钪含量影响

增加Sc含量可降低矫顽场E_C，实现更低操作电压。10纳米AlN器件显示纯顺时针磁滞，而10纳米Al_0.59Sc_0.41N则主要呈现逆时针磁滞，证实Sc掺杂可降低操作电压。但过高Sc含量会增加泄漏和缺陷风险，且晶格失配会引入应变。

沟道制备工艺

MoS₂转移方法对性能影响显著。湿法转移使用KOH溶液，在界面引入钾离子等杂质，导致逆时针区域范围较小。干法转移避免了杂质引入，具有最低交叉电压和最高开关比（V_GS=0V时达3.92-4.14）。MoS₂薄片厚度（2.9-15纳米）对交叉电压影响较小，表明少数层MoS₂对器件性能的去极化效应有限。

环境条件影响

二维过渡金属硫化物（TMDC）的原子级厚度使其电导率易受环境条件影响。在10^-5 Torr真空环境下，10纳米Al_0.68Sc_0.32N器件的开关电压降低，且300K与250K间交叉电压变化极小，证实了铁电特性（电荷陷阱过程具有温度依赖性）。水分子吸附在材料表面形成界面陷阱和散射中心，而脉冲测量中H₂O效应被抑制。

该研究成功演示了超薄Al_1-xSc_xN（5和10纳米）与二维MoS₂沟道集成的FeFET中的部分铁电开关行为，将矫顽电压降至3V以下，实现了低电压操作。研究明确了增大Sc含量可降低操作电压，氧化对薄膜影响更为显著，而制备方法特别是干法转移通道能增强器件特性。交叉电压行为与沟道长度无关，表明其由铁电特性而非接触效应主导。尽管实现了铁电开关，但由于铁电与电荷陷阱效应的竞争，零栅压下的开关比仍较