重大突破！揭示纤锌矿 III 族氮化物半导体巨极化特性，开启电子器件新时代

III 族氮化物半导体极化研究意义重大，但现有认知存争议。研究人员测定其极化大小、方向及与晶格极性关系，建立统一框架。该成果为新一代光电子、电子和声学器件发展奠定基础。

　　在半导体的神奇世界里，III 族氮化物半导体凭借独特的性质，成为了科研领域的 “宠儿”。它们具有非中心对称的纤锌矿（WZ, P6₃mc）结构，自带的自发极化和压电极化特性，就像隐藏在其内部的 “魔法力量”。在过去几十年，基于这些极化特性的极化工程，为 III 族氮化物半导体在光电子领域的发展带来了革命性变化，成功构建出诸如二维电子气（2DEG）或二维空穴气（2DHG）等奇妙的微观世界，让电子和空穴在特定的 “轨道” 上有序运动，进而推动了各类光电器件的飞速发展。

然而，随着研究的深入，新的挑战出现了。近年来，在纤锌矿氮化物铁电体，如钪铝氮（ScAlN）中，发现了远超传统预期的巨大铁电极化现象，这一发现犹如一颗重磅炸弹，打破了以往人们对 III 族氮化物半导体极化的认知 “枷锁”，使得原本看似清晰的研究道路变得迷雾重重。此前，科研人员对 III 族氮化物半导体极化的认识存在诸多分歧，特别是在极化的大小、方向以及它与晶格极性的关系等关键问题上，一直缺乏明确且统一的结论。这种认知上的混乱，严重阻碍了 III 族氮化物半导体在材料和器件领域的进一步发展，就像在黑暗中摸索前行的旅人，失去了方向。因此，迫切需要对 III 族氮化物半导体的极化进行更深入、系统的研究，以解开这些谜团，为后续的科研和技术创新铺平道路。

为了攻克这些难题，北京大学等研究机构的科研人员勇敢地踏上了探索之旅。他们开展了关于纤锌矿 III 族氮化物半导体中巨极化的实验测定研究。经过不懈努力，研究人员取得了一系列令人瞩目的成果。他们不仅精确测定了 III 族氮化物半导体极化的大小和方向，还成功揭示了其与晶格极性之间的内在联系。实验发现，在金属极性的纤锌矿氮化物化合物中，极化值超过 1 C/m²，且方向向上，这一结果与近期的理论预测高度吻合。

在此基础上，研究人员建立了基于中心对称层状六边形（LH）参考结构的统一极化框架。这个框架就像一把神奇的 “钥匙”，重新打开了理解当代氮化镓（GaN）异质结构、量子结构和铁电异质结构中极化现象的大门，让原本复杂混乱的极化景观变得清晰有序。借助这个统一框架，研究人员重新评估了先进的氮化铝镓（AlGaN）/GaN 和铁电 ScAlN/GaN 异质结构中的极化情况，发现了许多新的现象和规律。

他们预测，在铁电 ScAlN/GaN 异质结构中，存在显著的可调节性，并且面载流子浓度会大幅增加。这一发现意义非凡，为高功率、高频和可重构晶体管以及非易失性存储器的发展带来了新的曙光，有望推动这些关键电子器件实现重大突破，就像为电子器件的发展注入了新的 “燃料”，使其能够在更广阔的领域发挥更大的作用。该研究成果发表在《Nature Communications》上，引起了科研界的广泛关注。

在研究过程中，科研人员运用了多种关键技术方法。材料生长方面，采用分子束外延（MBE）和金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术制备不同极性的薄膜；表征时，利用原子力显微镜（AFM）观察表面形貌、X 射线衍射（XRD）分析结构、透射电子显微镜（STEM）测量原子位移确定极化；电学测量则借助铁电测试仪获取极化与电场（P-E）磁滞回线等数据 。

下面具体来看研究结果。
局部极化测量：研究人员利用环形暗场扫描透射电子显微镜（ABF-STEM）对 M 极性和 N 极性的 AlN、GaN、InN 和 ScAlN 进行了全面的局部极化测量。通过精确测量原子位移（Δr），并结合密度泛函理论（DFT）得出的玻恩有效电荷，成功量化了这些材料的极化情况。测量结果显示，M 极性的 AlN、GaN、InN 和 ScAlN 的平均极化分别为 + 1.37 ± 0.11、+1.29 ± 0.11、+1.04 ± 0.15 和 + 1.38 ± 0.17 C/m²，均呈现向上的自发极化；而 N 极性的对应材料平均极化分别为?1.34 ± 0.20、?1.28 ± 0.24、?1.09 ± 0.26 和?1.38 ± 0.21 C/m²，表现为向下的自发极化。对于铁电材料 ScAlN，研究人员还通过宏观电学测量，进一步验证了其极化值，得到的剩余极化与局部测量值相符。
极化方向的确定：科研人员通过对 MBE 生长的铁电 ScAlN 进行单极测量，巧妙地利用位移电流这一 “指示剂”，成功确定了自发极化的方向。实验表明，M 极性的 ScAlN 在向下的外部电场作用下，自发极化方向可以反转；而 N 极性的 ScAlN 则在向上的外部电场作用下发生极化方向反转，这一结果与局部极化测量相互印证，明确了 M 极性 III 族氮化物具有向上的自发极化，N 极性则向下。
统一极化框架：研究发现，以往使用闪锌矿（ZB）参考结构计算 III 族氮化物半导体极化时，与实验值存在显著差异。而采用 LH 参考结构，不仅能使理论计算值与实验测量值高度吻合，还能更准确地解释铁电材料中可逆的巨大极化现象。这是因为 LH 参考结构的修正项为零，可直接用于计算异质界面的极化差异，为极化研究提供了更可靠的理论基础。
对 III 族氮化物异质结构中极化的深入理解：在 GaN 基异质结构中，考虑应变诱导的压电极化后，研究人员利用统一极化框架重新评估了极化情况。以 M 极性 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）结构为例，不同应变条件下，极化差异会导致界面电荷分布不同，进而影响二维电子气或二维空穴气的形成。在 ScAlN/GaN 异质结构中，随着 Sc 含量的变化，应变状态改变，压电和自发极化相互作用，使得界面载流子类型从 2DEG 转变为 2DHG。极化反转后的 ScAlN/GaN 异质结构可形成超高面载流子密度的 2DEG，同时还能调节铁电 ScAlN/GaN 铁电高电子迁移率晶体管（Fe-HEMTs）的阈值电压（V_th） ，为高性能电子器件设计提供了新思路。

综上所述，该研究通过定量的局部极化分析和宏观电学测量，明确了纤锌矿 III 族氮化物半导体极化的大小和方向，建立了统一的极化框架，重新评估了先进异质结构中的极化景观。这一成果不仅填补了人们在传统和铁电纤锌矿氮化物极化理解上的关键空白，还为将铁电性融入 III 族氮化物生态系统，开发先进的光电子、电子、光电器件和声学器件奠定了坚实的理论基础，在半导体材料和器件领域具有重要的指导意义，为未来相关领域的研究和技术发展指明了方向。