AlScN/AlN/AlScN多层结构解耦极化与矫顽场：铁电薄膜晶体管性能的突破性提升

本研究针对AlScN基铁电场效应晶体管(FeFET)在高极化强度(Pr>100 μC/cm2)导致存储窗口(MW)退化的问题，创新性地提出AlScN/AlN/AlN/AlScN对称多层结构。通过诱导AlN层的铁电开关行为，实现了矫顽场(EC)与极化强度(Pr)的解耦调控，使40nm薄膜的EC提升至8.6 MV/cm同时保持Pr稳定在105 μC/cm2。基于非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)通道的FeTFT器件展现出15V的超大MW和10年数据保持能力，首次实现五级存储单元(PLC)操作，为下一代高密度存储器提供了突破性解决方案。

　　

在当今数据爆炸的时代，NAND闪存作为主流存储技术正面临物理极限——基于电荷陷阱氮化物(CTN)的存储单元在垂直堆叠和多位操作中遭遇严重的单元间干扰问题。铁电场效应晶体管(FeFET)虽被视为革命性替代方案，但传统氟化物铁电材料(如HfZrO₂)存在致命缺陷：低矫顽场(E_C~1 MV/cm)导致存储窗口(MW)受限，且多晶结构带来开关特性的不均匀性。

铝钪氮化物(AlScN)的横空出世曾带来转机，其超高E_C(>6 MV/cm)和优异热稳定性展现出巨大潜力。但研究人员很快发现，AlScN过高的剩余极化强度(P_r>100 μC/cm²)会产生强退极化场，导致MW随时间退化。更棘手的是，E_C与P_r存在固有耦合——通过降低Sc浓度虽可提高E_C，但会同步增加P_r，形成"按下葫芦浮起瓢"的困局。

来自韩国首尔国立大学(Seoul National University)的Kyung Do Kim团队在《Nature Communications》发表突破性成果。他们设计出AlScN/AlN/AlScN"三明治"结构，首次实现E_C与P_r的独立调控。其中AlN层虽单独存在时仅为压电材料，但在AlScN夹层中展现出"邻近诱导铁电性"——扫描透射电镜(iDPC-STEM)直接观测到AlN晶格随外加电场发生极性反转。

研究采用射频溅射法制备HfN_0.4/AlScN/AlN/AlScN/TiN电容器结构，通过XRD和HRTEM确认多层膜具有完美<0002>取向且无元素互扩散。关键创新在于利用AlN较低介电常数(ε_AlN=10.1)与AlScN(ε_AlScN=12.8-17.0)的差异，建立等效电路模型证明：增加AlN厚度比(t_AlN)可线性提升整体E_C，而P_r仅由AlScN层决定。当t_AlN增至36nm时，E_C从7.0 MV/cm提升至8.6 MV/cm，而P_r稳定在105 μC/cm²。

多层结构对FeTFT性能的影响

基于非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)通道制备的FeTFT展现出革命性性能：t_AlN=30nm时MW达12V，缩短沟道长度(L_ch)至300nm后更提升至15V。这源于两个机制：(1)电容耦合效应使ΔV_th∝1/C_multi，随t_AlN增加而放大；(2)短沟道增强边缘电场，克服a-IGZO缺空穴导致的擦除难题。

可靠性验证与多级存储

该器件在125℃下保持10年数据保留，且通过增量步进脉冲编程(ISPP)实现32种可区分状态。特别值得注意的是其ISPP斜率达2，远超CTN-NAND的理论极限(≤1)，这意味着更高效的多级编程能力。

这项研究开创性地通过异质结构设计解耦了铁电材料的关键参数，为高密度存储器开发提供新范式。其意义不仅在于实现PLC操作，更启示通过材料界面工程可突破本征物性限制。未来可进一步探索该策略在二维材料异质结等新型器件中的应用，或将开启铁电存储器的新纪元。