范德华杂化铁电器件：从自发极化机制到新型存储与逻辑应用

这篇综述系统阐述了范德华（vdW）铁电材料在器件应用中的最新进展。文章深入探讨了二维铁电体的自发极化起源（如CuInP2S6的铜离子位移机制）和人工构建的滑动铁电性（如扭曲双层hBN），重点分析了其在负电容场效应晶体管（NC-FET）、铁电隧道结（FTJ）和神经形态计算等领域的突破性应用，为下一代低功耗电子器件发展提供了重要指导。

　　

1. 引言

半导体技术发展正面临传统硅基CMOS器件的物理极限挑战。随着制程节点推进至1.6纳米，短沟道效应和热耗散问题日益突出。二维层状半导体因其原子级厚度下的高载流子迁移率成为理想替代材料，而范德华铁电体的出现更解决了传统铁电薄膜的去极化场难题。这类材料兼具自发极化可反转特性和独特的界面效应，为存储器、逻辑器件和存算一体架构开辟了新路径。

2. 机制

2.1 晶体中的自发极化

铁电性源于晶格能最小值对应的非零极化状态。弹性能量（W_elas）与偶极相互作用能（W_dip）的平衡决定了极化稳定性。Landau-Ginzburg-Devonshire理论描述的双势阱自由能景观中，极化切换时会经历负电容（NC）态。值得注意的是，二维铁电体如CuInP₂S₆（CIPS）通过铜离子在硫八面体间隙的位移（Cu1→Cu3）实现极化反转，其四势阱能量格局与传统钙钛矿氧化物截然不同。

2.2 本征范德华铁电性

过渡金属硫代磷酸盐：CIPS在315K以下呈现室温铁电性，通过调控Cu空位浓度可使居里温度提升至338K。IV族单硫属化物：SnS等材料通过晶格畸变产生面内极化，基板诱导的AA堆垛使其在单层极限仍保持铁电性。过渡金属二硫化物：WTe₂作为金属性铁电体，通过层间滑移产生垂直极化，双层结构下仍稳定至350K。III-VI族半导体：α-In₂Se₃的"偶极锁定"效应可同步切换面内和面外极化，五重层（QL）结构使其兼具铁电和半导体特性。

2.3 人工铁电性

近平行堆叠的扭曲双层体系（如θ<1°的hBN）通过打破镜面对称性产生滑移铁电性。MX/XM堆垛域形成三角形极化图案，其尺寸可通过扭转角调控。理论计算显示3R堆垛MoS₂多层结构具有极化累积效应，三层层压样品产生110mV的电位阶跃。这种滑移机制使切换能耗降低至9meV/f.u，比AlScN低两个数量级。

3. 铁电器件应用

3.1 铁电场效应晶体管

陡峭斜率逻辑器件：CIPS/MoS₂异质结NC-FET实现4.3mV/dec的超低亚阈值摆幅（SS），石墨烯浮动栅结构使开关比达10⁷。可重构晶体管：α-In₂Se₃基铁电半导体沟道器件（FeSCT）通过极化调控肖特基势垒，实现10⁸开关比和100个可区分的电导态。光电协同调控：WSe₂/CIPS器件在光伏模式下整流比超过10⁴，为光电子融合器件提供范例。

3.2 铁电隧道结

Sc₂CO₂/In₂Se₃垂直异质结理论预测隧穿电阻（TER）比达10⁵。实验证实扭曲双层MoS₂/hBN结在域壁存在时呈现10倍电流开关比，为高密度非易失存储提供可能。

3.3 浮栅器件

石墨烯浮栅/CIPS栅介质/MoS₂沟道结构兼具17mV/dec的SS和10年数据保持能力，hBN隧穿层的引入使器件滞后几乎消失。

3.4 滑移铁电器件

3R堆垛MoS₂在石墨烯传感层中诱导电荷涨落（7×10¹¹cm^-2），近场红外成像显示塞贝克系数在域壁处产生梯度分布，为自供电光电探测开辟新途径。

4. 展望

4.1 短沟道效应

MoS₂/HZO器件在20nm沟长时SS降低57%，负微分电容效应可缓解传统MOSFET的尺寸缩放限制。

4.2 柔性电子

CIPS/MoS₂在3.8mm弯曲半径下仍保持28mV/dec性能，适用于可穿戴设备。

4.3 可靠性

hBN双层器件耐受10¹¹次切换，域壁移动速度达1000m/s，接近剪切声子模极限。

4.4 规模化进展

金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长的200mm晶圆级MoS₂晶体管良率超99.9%，溶液法喷涂的γ-InSe薄膜与光刻工艺兼容，为产业化奠定基础。

4.5 神经形态计算

α-In₂Se₃基突触晶体管通过光/电双模调控实现97.76%的数字识别准确率，六层垂直集成的WSe₂/hBN忆阻器阵列展示三维集成潜力。

该领域发展需突破三大瓶颈：提升二维铁电极化强度（当前CIPS仅4μC/cm²）、解决扭曲角不均匀性问题、开发晶圆级异质结外延技术。随着材料生长和界面调控技术的进步，范德华铁电器件有望在"后摩尔时代"发挥关键作用。