氮化铝写入铁电特性，可降低芯片功耗

美国能源部橡树岭国家实验室的科学家首次证实，借助纳米相材料科学中心（CNMS）的聚焦氦离子束，可在氮化铝中直接写入铁电特性。铁电器件无需持续供电即可存储数据，所制备的设备相较现有产品可靠性更高、功耗更低。

这项研究成果发表于《AdvancedMaterials》期刊，为纤锌矿型III-V族氮化物开辟了全新加工工艺路径。这类半导体材料已在微电子领域得到广泛应用，但其铁电潜力直到2019年才被学界发现。

橡树岭国家实验室纳米相材料科学中心博士后研究员Bogdan Dryzhakov表示：“目前，这种材料和加工工艺均已应用于芯片制造：氮化铝广泛用于各类5G和无线局域网设备，氦离子束也是对电路进行微纳改性的常用工具。创新之处在于将二者结合，可在指定位置‘写入’铁电区域。这意味着芯片厂商无需引入全新材料或新增制造工序，只需以全新方式复用现有成熟工艺即可。”

铁电材料具备固有电极化特性，施加外部电压便可实现电极化方向翻转。两种极化状态间的可逆翻转可用于信息存储，原理类似于数字开关表征二进制数据。

传统铁电研究与理论通常利用材料晶体结构的“软化”效应，降低极化翻转所需的能量。在这类传统铁电材料中，缺陷是晶体晶格中原子排布的无序畸变，而晶格是原子规则重复排列的结构。缺陷历来被视为不利因素，会增加极化翻转的能耗，同时加大漏电损耗。

而氮化铝隶属于纤锌矿氮化物这一新兴铁电材料体系，其特性与传统铁电晶体存在显著差异。Dryzhakov称：“现有铁电理论大多基于软模材料建立，这类材料的整个晶体晶格都会参与极化翻转过程。但在氮化铝及其他纤锌矿型III族氮化物中，缺陷会形成一维通道，各通道可独立完成极化翻转。这为研究材料的铁电极化翻转机制提供了全新思路。”

为验证这一理论，研究团队采用宽度约1纳米的氦离子束，精度接近原子级，可精准定位目标区域。该离子束能精准引入可控缺陷，同时不破坏材料整体晶体结构。

同样任职于橡树岭国家实验室纳米相材料科学中心的研发专员Kyle Kelley表示：“我们对氮化铝进行超高剂量氦离子辐照后，材料仍能保持完整晶体结构。这揭示了这类纤锌矿材料在抗辐射性能上的基础特性。”

研究团队发现，经过处理的氮化铝，极化翻转能耗降低约40%，同时压电响应性能显著增强，即在电场作用下产生的机械形变更大。这种机电耦合效应可应用于电声、机电转换器件，例如无线通信硬件中常用的射频滤波器与谐振器。

极化翻转是铁电存储器的核心原理。依托与当前主流硅基芯片制造工艺兼容的技术，在常规工作电压下实现氮化铝铁电极化调控，有望为高需求场景打造性能更强、可规模化量产的存储芯片。

计算机仿真与实验测试表明，缺陷对极化翻转的调控作用是核心关键。缺陷无需驱动整个晶体同步翻转，而是让材料内部如同细密纵向“微丝”般的原子窄柱独立完成电极化方向反转。材料主体晶体结构保持完好，由这些丝状区域承担极化翻转功能。

由于氮化铝已是芯片制造的常规材料，相比诸多仅停留在实验室阶段的新材料，该研究成果更易落地产业化。研究人员还表示，这一发现有望拓宽铁电材料的探索范围，预示着通过可控引入缺陷而非规避缺陷，或能让更多材料以非常规方式实现极化翻转。

研究团队已为这种离子辐照技术提交临时专利申请，该工艺可在保留材料整体结构的前提下，选择性引入可控缺陷。本项研究由美国能源部多个项目资助，包括三维铁电微电子研究中心，并依托纳米相材料科学中心的科研设备完成。