近期，南方科技大学工学院材料科学与工程系黎长建副教授团队在纤锌矿氮化物铁电薄膜领域取得系列研究进展，相关成果接连发表在材料与纳米科技领域期刊 Nano Letters。

图1 N-PLD示意图

氮化铝钪（AlScN）作为一种新兴的纤锌矿结构铁电材料，因其高剩余极化、低介电常数、高居里温度以及卓越的热稳定性，被视为下一代非易失性存储器、MEMS传感器和光电调制器的理想候选材料。其与CMOS工艺的兼容性尤为关键，可支持后端制程（BEOL）集成，为低功耗计算、数据存储和微系统开辟新路径。但其矫顽场过高、漏电严重，极大限制了其应用潜力。

在AlScN体系中，提高Sc掺杂浓度能有效降低矫顽场，但易诱发岩盐相杂质和缺陷，导致漏电和性能劣化。制备具备高Sc浓度的AlScN单晶外延薄膜有助于阐明漏电机制，提升铁电性能。考虑后端工艺兼容现状，低温制备高Sc掺杂的外延薄膜是该研究领域的重要课题。此前，黎长建团队已利用传统的激光脉冲沉积（PLD）技术，实现了Sc组分在0～0.3的单晶AlScN薄膜的外延生长，相关成果发表在学术期刊 Small Methods上。

图2 低温外延生长单相Al_0.63Sc_0.37N铁电薄膜的结构和性能分析

研究团队将射频氮等离子体与PLD技术结合（N-PLD，图1），在薄膜的生长过程中将惰性的氮分子转换为活性氮原子，抑制该体系氮空位的生长，提升外延薄膜的质量。团队通过该技术实现了400 ˚C下Al_0.63Sc_0.37N铁电薄膜的层状外延生长（图2a-b）。通过与传统PLD生长的AlScN薄膜进行比较，研究人员发现了原子氮源对稳定高Sc含量下薄膜的纤锌矿相的关键作用（图2c）。使用N-PLD生长的薄膜中Sc-O键信号完全消失（图2d-e），且元素分布均匀，无Sc偏析和氧污染（图2f-j）。通过PFM测试显示180˚的相位反转（图2k），P-E测试表明剩余极化达160 µC cm^-2（图2l），矫顽场降低至2.9 MV cm^-1。本研究首次在400˚C下实现Sc含量37%的AlScN外延生长，逼近相边界却保持纯纤锌矿相，矫顽场也降低至亚3 MV cm^-1区间，相关论文以“Low-Temperature Layer-by-Layer Epitaxy of Ferroelectric Al_0.63Sc_0.37N Thin Films for Back-End-of-Line Integration”为题发表在 Nano Letters 上。

该论文的第一作者为南方科技大学材料与科学工程系23级博士生李超、伍迪睿，黎长建、南方科技大学材料与科学工程系李江宇讲席教授为论文共同通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。

图3 STEM表征岩盐相纳米颗粒的存在对AlScN体系带宽的影响

此外，研究团队还发现生长温度是调控AlScN铁电漏电的关键因素。在高温生长的AlScN样品中，即使Sc含量只有0.1，也会出现局部Sc的岩盐相偏析。团队通过Low-loss EELS（图3a）分析发现岩盐相纳米颗粒导致禁带宽度降低（图3），形成可能漏电路径。相关论文以“Atomic Origins of Leakage Paths in Epitaxial Al1–xScxN Thin Films”为题发表于 Nano Letters。 

该论文的第一作者为南方科技大学材料与科学工程系23级博士生伍迪睿、李超，黎长建、南方科技大学材料与科学工程系吴亚北研究助理教授为论文通讯作者，南方科技大学材料与科学工程系张文清讲席教授在AlScN漏电机制论提供了理论指导。南方科技大学为论文第一单位。

以上研究工作得到了国家自然科学基金委面上项目、广东省信息功能氧化物材料与器件重点实验室，以及南方科技大学公共分析测试中心的支持。

论文链接：

1. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c04014

2. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c03675

供稿：材料科学与工程系

通讯员：邓雅丽

主图：丘妍

编辑：曾昱雯