仅0.6纳米！新型铁电材料助力存算一体突破

全球电子工程师一直在追求尺寸更小的元器件，希望器件既能完成信息存储与运算，同时功耗更低。随着边缘AI、端侧大模型的快速普及，传统存储与逻辑分离的架构带来的数据搬运功耗已经成为制约芯片能效提升的核心瓶颈，铁电非易失器件被产业视作破解这一难题的关键方向。铁电材料具备自发电极化特性，外加电场即可反转极化方向，在实现更高密度、高能效存储器以及其他微型电子元件方面极具潜力。

基于超薄二维氧化镓（Ga₂O₃）、与硅集成的铁电隧道结（FTJ）器件光学显微图

尽管前景广阔，但如果把这类材料缩减为仅数个原子厚度的超薄膜，材料本身部分特性往往会发生改变。尤其在这一尺度下，材料内部极化容易受退极化效应影响出现失稳，实现极化翻转通常还需要较高电压，这也是很多铁电材料在向先进制程微缩时遇到的共性障碍。目前产业界主流的铪锆氧化物（HZO）铁电方案已经实现工艺落地，但进一步极致减薄依旧面临界面漏电、性能衰减等现实挑战，行业持续寻找更多备选材料体系。

西湖大学与浙江大学的研究团队近期证实，氧化镓（Ga₂O₃）在接近原子级厚度时依旧可以表现铁电性，极化状态保持稳定，并且仅需0.8伏较低电压就能够完成极化态切换。相关成果发表于《Nature Electronics》，该研究凸显了这种材料在紧凑型非易失存储器、微型传感器以及其他低功耗电子元器件上的应用潜力。氧化镓本身是广受关注的第四代超宽禁带半导体，过去产业研发集中在高压功率器件领域，本次将其拓展至铁电存储赛道，也打开了该材料全新的应用想象空间。

“这项研究源于一次意外发现，项目最初并不是以研发铁电存储器为目标启动的。”论文第一作者江通向Tech Xplore表示。“大约2020年，当时我们研究氧化镓电子与光电器件，投入大量精力制备高质量单晶氧化镓薄膜。研究过程中我们发现，该外延结构具备边界清晰的自限解离面，可以把材料减薄到远超最初预期的程度。”意识到可以将氧化镓薄膜做到极致超薄之后，江通及其团队开始探究材料在近原子厚度下的各项物性。他们重点想要确认：当厚度不断降低时，材料是否会进入全新结构相，是否会衍生出新的物理特性。

“此前已有理论预测二维氧化镓有可能具备铁电性，但一直缺少实验证据。”江通说。“因此我们的核心目标就是：实验制备原子级厚度的氧化镓，验证它是否具备真实、可翻转的铁电极化；厘清铁电性的微观物理起源；最后验证该材料能否在与现代硅芯片兼容的电压条件下工作。”

超薄二维氧化镓薄膜的合成与测试

研究人员首先采用等离子体辅助分子束外延（PA‑MBE）工艺生长高质量β相氧化镓单晶薄膜。该技术在超高真空环境下，将原子束沉积到加热的晶体衬底表面。“之后我们开发出一套自限剥离工艺。”江通解释，“可以类比成一本厚书，精准翻开指定一页：材料不再随机碎裂；经过特殊设计的外延界面，让材料沿着确定原子平面实现解离。借助这套方法，我们制备出薄至半个晶胞的氧化镓，厚度仅约6埃，也就是0.6纳米。”

除制备极致超薄的氧化镓薄膜之外，团队还需要证实薄膜具备可翻转的电极化。研究人员沿着薄膜两个面内方向施加可控应变，改变原子排布，让原本不具备铁电性的β‑Ga₂O₃转变为具备极性铁电结构的层状薄膜。应变工程也是当下二维功能材料研发的重要手段，通过外力调控晶体结构，让普通材料获得原本不具备的物理特性。

“简单来讲，应变改变原子位置与化学键，使材料形成两套稳定极化态，并且可以通过电场实现两种状态的切换。”江通说道。“随后我们使用多种互补表征手段，确认观测到的是真实铁电效应，而不是测试带来的伪信号。压电力显微镜（PFM）用于写入、翻转铁电畴；二次谐波产生（SHG）表征铁电态对应的结构对称性破缺；PUND电学测试，为可翻转极化提供直接的宏观电学证据。”

团队利用原子分辨电子显微镜，观测薄膜内部单个原子排布；同时开展理论计算，模拟材料产生铁电效应、极化翻转过程中原子结构的演变。团队还开展测试，验证薄膜极化态的保持能力，以及高温条件下铁电性能的存续情况。通过精准调控施加在材料上的应变，研究人员把极化翻转所需电压降至约0.8伏，该电压水平能够匹配主流硅逻辑器件的工作区间。“对我们来说最震撼的结果是，仅6埃厚度的单晶半导体，依然可以实现稳健的铁电特性。”江通表示。

“一般材料趋近原子尺度时，退极化效应会破坏极化稳定性，铁电效应很难维持。但这套体系原子成键机制完全不同：计算表明，极化翻转过程伴随镓‑氧共价键的断裂与重构，正是这一机制让材料即便在极致超薄条件下依旧保持稳定。”

存储器器件极具发展前景

该研究结果证明氧化镓有潜力用于开发尺寸更小、能效更高的电子元器件。超薄氧化镓薄膜拥有多项优异特性：极化稳定、热稳定性好，极化翻转电压仅0.8V。

超薄二维氧化镓薄膜铁电性的表征

研究同时证实，二维氧化镓薄膜可以通过低温工艺转移并集成到硅衬底，该工艺与半导体后端制程（BEOL）完全兼容。在先进芯片制造当中，后端工艺热预算约束是新型存储器件落地的一大门槛，很多新材料因为工艺温度过高，无法和现有硅产线结合，而低温集成特性也成为这项成果面向产业化的一大加分项。当前全球多家科研机构与半导体企业都在加紧布局BEOL集成铁电存储，希望把存储单元堆叠在逻辑晶体管上方，以此提升芯片整体存储密度，降低数据传输损耗。

未来，江通团队制备的薄膜有望用来制造超高密度、低功耗非易失存储器，以及先进计算器件与传感器件。铁电隧道结作为存算一体的核心器件候选，市场增长预期持续走高，但新材料从实验室器件演示，到晶圆阵列、最终产品落地，中间仍要跨越良率、循环耐久、大规模工艺一致性等多重现实关卡。

“更本质地看，这项工作也提供了更通用的研发思路：不必只寻找天然铁电材料；可以借助应变、原子尺度结构工程，让原本非铁电的半导体产生铁电特性。”江通说，“我们下一步目标，从基础材料物理验证，走向可规模化器件，最终实现集成系统。”

下一阶段，研究团队计划制备大面域氧化镓薄膜，整片晶圆范围内厚度、应变、铁电性能保持一致。与此同时，基于该薄膜开发高速状态翻转、低电压工作、数据长期可靠保存的器件。目前氧化镓产业更多聚焦功率半导体，若铁电路线持续推进，有望实现同一种材料同时覆盖功率器件与存储器件，带来新的系统集成可能性。

“非常关键的一步，是直接和硅电路集成，制备大规模器件阵列。”江通补充道，“届时我们可以验证，该材料除非易失存储之外，还能否应用在存内计算、多功能传感等领域。从更广阔的视角，我们希望验证这套应变工程思路，是否能够拓展到其他半导体材料，在常规块体材料之上实现原本不具备的新功能。”