作者：李昶
近期，禹卓良博士在國際學術期刊《Journal of Physics: Condensed Matter》發表題為“鐵電異質結構α-In2Se3/ZnSe的電子結構特性”(Electronic structure characteristics of two-dimensional ferroelectric heterostructures α-In2Se3/ZnSe)的研究論文。論文通訊作者是我院的李昶博士和廖高華博士。論文基本信息如圖1。
圖1 論文基本信息.
芯片技術中兩個問題急需解決：1.如何降低芯片功耗。2.如何提升芯片集成度。目前，研究和發展尺寸更小的低功耗芯片電子元器件如場效應管、二極管等被視為解決問題的有效方法。在降低芯片功耗的探索中，鐵電場效應管的研究逐漸興起。相比較傳統場效應管，在鐵電場效應管中鐵電薄膜取代傳統場效應管中的栅介質層。鐵電場效應管隻需在栅極施加短暫偏壓(偏壓大小大于矯頑場)就能誘導鐵電薄膜發生極轉變。鐵電薄膜的極化狀态調制半導體表面狀态進一步控制晶體管源、漏極間的導通狀态，實現數字電路中的邏輯态“0” 和“1”。而傳統場效應管“0”和“1”的轉換需要在栅極持續施加電壓。因此鐵電場效應管更加節能低耗。但之前介紹中器件的鐵電薄膜都是采用傳統的鈣钛礦結構鐵電材料。由于退極化場的存在，當鈣钛礦鐵電薄膜厚度低于臨界尺寸時材料的鐵電極化會消失。臨界效應導緻鐵電場效應管尺寸過大，阻礙芯片集成度的提升。
本篇文章研究了二維鐵電異質結構α-In2Se3/ZnSe的電子結構。研究發現在α-In2Se3鐵電極化的翻轉能實現異質結構的帶隙從閉合到打開，即金屬和半導體的轉化，對應邏輯态“0” 和“1”，如圖2。而且二維鐵電異質結構沒有臨界效應，在尺寸上遠小于傳統的鈣钛礦結構鐵電材料。
圖2.不同鐵電極化下異質結構的能帶結構
如圖3，表明在兩種不同堆疊的異質結中α-In2Se3隻要分别克服37 meV和74 meV的微小勢壘就能實現鐵電極化反轉。透射譜也會随着鐵電極化反轉呈現出不同的間隙，如圖4。文章通過研究異質結構中α-In2Se3的極化反轉的勢壘以及基于該異質結構的器件的透射譜，從理論上進一步說明了基于α-In2Se3/ZnSe的鐵電場效應管是可行的。
圖3. 異質結構中鐵電極化翻轉需克服的勢壘
圖4. 不同鐵電極化下基于該異質結構的器件透射系數
