[论文解读] Ferroelectricity in Polar ScAlN/GaN Epitaxial Semiconductor Heterostructures

Joseph Casamento, Ved Gund+12 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2021

Acoustic Wave Resonator Technologies被引用 4

一句话总结

本研究在分子束外延（MBE）生长的晶格匹配、外延的ScAlN/GaN异质结构上实现了室温铁电性。在约100 nm厚的外延层中，其矫顽场低至~0.7 MV/cm，剩余极化达~10 μC/cm²，MBE生长的ScAlN表现出稳定且可重复的极化翻转，实现了与GaN本征极化和电子特性相兼容的低电压铁电操作。

ABSTRACT

Room temperature ferroelectricity is observed in lattice-matched ~18% ScAlN/GaN heterostructures grown by molecular beam epitaxy on single-crystal GaN substrates. The epitaxial films have smooth surface morphologies and high crystallinity. Pulsed current-voltage measurements confirm stable and repeatable polarization switching in such ferroelectric/semiconductor structures at several measurement conditions, and in multiple samples. The measured coercive field values are Ec~0.7 MV/cm at room temperature, with remnant polarization Pr~10 μC/cm2 for ~100 nm thick ScAlN layers. These values are substantially lower than comparable ScAlN control layers deposited by sputtering. Importantly, the coercive field of MBE ScAlN is smaller than the critical breakdown field of GaN, offering the potential for low voltage ferroelectric switching. The low coercive field ferroelectricity of ScAlN on GaN heralds the possibility of new forms of electronic and photonic devices with epitaxially integrated ferroelectric/semiconductor heterostructures that take advantage of the GaN electronic and photonic semiconductor platform, where the underlying semiconductors themselves exhibit spontaneous and piezoelectric polarization.

研究动机与目标

• 在ScAlN/GaN异质结构中实现稳定、室温铁电性，以实现与III族氮化物半导体平台的集成。
• 通过分子束外延（MBE）实现高质量ScAlN在GaN衬底上的外延生长。
• 在ScAlN中实现低矫顽场值，以实现与GaN击穿场强兼容的低电压铁电翻转。
• 对比MBE生长的ScAlN与溅射法制备的对照层的铁电性能，突出生长方法的影响。
• 实现新型铁电/半导体异质结构，以利用GaN的本征极化特性，推动电子与光子器件的发展。

提出的方法

• 采用分子束外延（MBE）在单晶GaN衬底上生长晶格匹配的、约18% ScAlN外延层。
• 利用高分辨率技术表征外延薄膜的表面形貌和结晶质量。
• 通过脉冲电流-电压测量评估极化翻转的稳定性和可逆性。
• 在不同条件和多个样品中，从滞后回线中提取矫顽场（Ec）和剩余极化（Pr）。
• 对比MBE生长的ScAlN与溅射法制备的ScAlN对照层的铁电性能。
• 以GaN的临界击穿场强为基准，评估低电压操作的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在分子束外延生长的外延ScAlN/GaN异质结构中实现室温铁电性？
• RQ2 MBE生长的ScAlN在GaN上的矫顽场和剩余极化值是多少？与溅射层相比如何？
• RQ3 MBE生长的ScAlN的矫顽场是否足够低，以实现不超出GaN击穿场强的低电压铁电翻转？
• RQ4 能否在多个样品和测量条件下证明稳定且可重复的极化翻转？
• RQ5 GaN的本征自发极化和压电极化在异质结构功能中起多大作用？

主要发现

• 成功在晶格匹配的约18% ScAlN/GaN异质结构中实现了室温铁电性，该结构由分子束外延生长。
• MBE生长的ScAlN薄膜表现出光滑的表面形貌和高结晶质量，表明外延生长质量优异。
• 脉冲电流-电压测量证实了在多个样品和不同条件下均存在稳定且可重复的极化翻转。
• 室温下测得的矫顽场为~0.7 MV/cm，显著低于溅射法制备的ScAlN对照层。
• 对于约100 nm厚的ScAlN层，剩余极化达到~10 μC/cm²，表明具有强烈的铁电响应。
• MBE生长的ScAlN的矫顽场低于GaN的临界击穿场强，从而实现了低电压铁电操作。