【儀表網 研發快訊】近期，南方科技大學工學院材料科學與工程系黎長建副教授團隊在纖鋅礦氮化物鐵電薄膜領域取得系列研究進展，相關成果接連發表在材料與納米科技領域期刊 Nano Letters。
圖1 N-PLD示意圖
氮化鋁鈧(AlScN)作為一種新興的纖鋅礦結構鐵電材料，因其高剩余極化、低介電常數、高居里溫度以及卓越的熱穩定性，被視為下一代非易失性存儲器、MEMS傳感器和光電調制器的理想候選材料。其與CMOS工藝的兼容性尤為關鍵，可支持后端制程(BEOL)集成，為低功耗計算、數據存儲和微系統開辟新路徑。但其矯頑場過高、漏電嚴重，極大限制了其應用潛力。
在AlScN體系中，提高Sc摻雜濃度能有效降低矯頑場，但易誘發巖鹽相雜質和缺陷，導致漏電和性能劣化。制備具備高Sc濃度的AlScN單晶外延薄膜有助于闡明漏電機制，提升鐵電性能。考慮后端工藝兼容現狀，低溫制備高Sc摻雜的外延薄膜是該研究領域的重要課題。此前，黎長建團隊已利用傳統的激光脈沖沉積(PLD)技術，實現了Sc組分在0～0.3的單晶AlScN薄膜的外延生長，相關成果發表在學術期刊 Small Methods上。
圖2 低溫外延生長單相Al0.63Sc0.37N鐵電薄膜的結構和性能分析
研究團隊將射頻氮等離子體與PLD技術結合(N-PLD，圖1)，在薄膜的生長過程中將惰性的氮分子轉換為活性氮原子，抑制該體系氮空位的生長，提升外延薄膜的質量。團隊通過該技術實現了400 ?C下Al0.63Sc0.37N鐵電薄膜的層狀外延生長(圖2a-b)。通過與傳統PLD生長的AlScN薄膜進行比較，研究人員發現了原子氮源對穩定高Sc含量下薄膜的纖鋅礦相的關鍵作用(圖2c)。使用N-PLD生長的薄膜中Sc-O鍵信號完全消失(圖2d-e)，且元素分布均勻，無Sc偏析和氧污染(圖2f-j)。通過PFM測試顯示180?的相位反轉(圖2k)，P-E測試表明剩余極化達160 µC cm-2(圖2l)，矯頑場降低至2.9 MV cm-1。本研究首次在400?C下實現Sc含量37%的AlScN外延生長，逼近相邊界卻保持純纖鋅礦相，矯頑場也降低至亞3 MV cm-1區間，相關論文以“Low-Temperature Layer-by-Layer Epitaxy of Ferroelectric Al0.63Sc0.37N Thin Films for Back-End-of-Line Integration”為題發表在 Nano Letters 上。
該論文的第一作者為南方科技大學材料與科學工程系23級博士生李超、伍迪睿，黎長建、南方科技大學材料與科學工程系李江宇講席教授為論文共同通訊作者。南方科技大學為論文第一單位。
圖3 STEM表征巖鹽相納米顆粒的存在對AlScN體系帶寬的影響
此外，研究團隊還發現生長溫度是調控AlScN鐵電漏電的關鍵因素。在高溫生長的AlScN樣品中，即使Sc含量只有0.1，也會出現局部Sc的巖鹽相偏析。團隊通過Low-loss EELS(圖3a)分析發現巖鹽相納米顆粒導致禁帶寬度降低(圖3)，形成可能漏電路徑。相關論文以“Atomic Origins of Leakage Paths in Epitaxial Al1–xScxN Thin Films”為題發表于 Nano Letters。
該論文的第一作者為南方科技大學材料與科學工程系23級博士生伍迪睿、李超，黎長建、南方科技大學材料與科學工程系吳亞北研究助理教授為論文通訊作者，南方科技大學材料與科學工程系張文清講席教授在AlScN漏電機制論提供了理論指導。南方科技大學為論文第一單位。
以上研究工作得到了國家自然科學基金委面上項目、廣東省信息功能氧化物材料與器件重點實驗室，以及南方科技大學公共分析測試中心的支持。
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