基于铁电ScAIN/AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的高温存储器件研究

研究人员针对传统铁电场效应晶体管(FeFETs)在高温环境下的性能局限，开发了基于分子束外延生长的铁电ScAIN/AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)。该器件实现了>108的开关比、~4V记忆窗口、474mA/mm导通电流，并在350℃下保持稳定运行，为航空电子、空间探索等极端环境应用提供了新型非易失性存储解决方案。

　　

在人工智能和大数据时代，传统计算架构正面临"内存墙"瓶颈的严峻挑战。铁电场效应晶体管(FeFETs)因其非易失性存储特性和逻辑-存储集成能力被视为突破性解决方案，但现有基于HfO₂的FeFETs存在致命缺陷——在150℃以上就会丧失铁电性，完全无法满足航空电子、地热能源等高温场景需求。这一困境的核心在于材料体系：HfO₂的菱方相亚稳态特性使其在高温下发生相变，而传统硅基通道材料的热稳定性也严重不足。

美国密歇根大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向具有天然热稳定性的氮化物材料体系。他们通过分子束外延(MBE)技术，成功开发出基于ScAIN/AlGaN/GaN异质结构的铁电高电子迁移率晶体管(HEMTs)。这项突破性研究发表在《Device》期刊，首次实现了在350℃高温下稳定工作的非易失性存储器件，其性能参数全面超越现有技术：开关比>10⁸、亚阈值摆幅低至15mV/decade、记忆窗口达4V，同时具备多比特存储能力。

研究团队采用分子束外延生长技术制备Sc_0.3Al_0.7N/Al_0.3Ga_0.7N/GaN异质结构，通过选择性区域再生长n⁺-GaN形成欧姆接触。利用高角度环形暗场像(HAADF-STEM)和X射线能谱(EDS)分析验证了高温处理后材料界面的完整性。电学表征采用半导体参数分析仪配合焦耳-汤姆逊温控系统，在真空环境下测试了器件从室温至350℃的性能变化。

铁电ScAIN/AlGaN/GaN HEMTs的结构

研究通过倾斜扫描电镜(SEM)证实了器件的三维结构，显示1μm栅长和8μm源漏间距的设计。高温处理后的透射电镜分析揭示：即使在350℃下工作2小时，Au/Ni/ScAIN/AlGaN/GaN栅堆叠仍保持原子级锐利界面，ScAIN厚度24nm且元素分布均匀。高分辨成像显示所有氮化物层均保持纤锌矿单晶结构，这种本征热稳定性是高温操作的基础。

器件电学性能

双向转移特性曲线显示出典型的铁电回滞行为，记忆窗口随栅压增大而扩展至4V。特别值得注意的是反向扫描时出现15mV/decade的超陡峭亚阈值摆幅，这源于ScAIN铁电极化与AlGaN/GaN界面极化失配的协同效应。输出特性显示导通电流达474mA/mm，接触电阻仅0.05Ω·mm，这些参数在1μm栅长器件中创下纪录。通过9个器件的大面积统计证实了性能的一致性，仅因工艺波动存在轻微差异。

高温下的存储性能

在手动直流切换300次后，器件仍保持>3V的记忆窗口，室温下推算的10年保持特性显示开关比维持在10⁴。250℃高温测试中，虽然阈值电压负移且亚阈值特性退化（归因于热激发载流子增加），但器件仍保持>3V记忆窗口和10²的10年保持开关比。即使在350℃极限条件下，记忆窗口仍超过2V，功能维持数十分钟，性能衰减主要来自栅泄漏电流增加。

多比特存储能力

通过调控栅压终值(V_GS,END)，器件成功实现四个离散电流状态，证实2比特存储能力。能带分析表明这是利用ScAIN铁电畴部分翻转的随机特性，通过极化方向调控二维电子气(2DEG)密度实现的。这种多级存储机制为提升存储密度开辟了新路径。

与现有技术对比显示，该器件在开关比、亚阈值摆幅等关键指标上全面领先于其他铁电GaN HEMTs和氧化物基FeFETs。特别在高温性能方面，ScAIN/GaN平台展现出无可比拟的优势：传统HfO₂基FeFETs在500℃就会完全丧失铁电性，而ScAIN的居里温度超过1100℃。

这项研究的意义不仅在于创造了高温存储器件的性能纪录，更开辟了非易失性计算的新方向。通过将铁电存储与GaN功率电子技术融合，研究者首次实现了在极端环境下工作的"存储-逻辑"集成器件。未来通过优化材料生长条件、界面工程和热管理设计，这一技术有望在航空航天发动机监测、核反应堆控制系统等传统电子无法涉足的领域发挥关键作用。该工作也启示我们：解决前沿电子器件的瓶颈问题，可能需要从材料体系的根本创新入手，而非仅依靠现有技术的渐进改良。