作者：李昶
近期，禹卓良博士在国际学术期刊《Journal of Physics: Condensed Matter》发表题为“铁电异质结构α-In2Se3/ZnSe的电子结构特性”(Electronic structure characteristics of two-dimensional ferroelectric heterostructures α-In2Se3/ZnSe)的研究论文。论文通讯作者是我院的李昶博士和廖高华博士。论文基本信息如图1。
图1 论文基本信息.
芯片技术中两个问题急需解决：1.如何降低芯片功耗。2.如何提升芯片集成度。目前，研究和发展尺寸更小的低功耗芯片电子元器件如场效应管、二极管等被视为解决问题的有效方法。在降低芯片功耗的探索中，铁电场效应管的研究逐渐兴起。相比较传统场效应管，在铁电场效应管中铁电薄膜取代传统场效应管中的栅介质层。铁电场效应管只需在栅极施加短暂偏压(偏压大小大于矫顽场)就能诱导铁电薄膜发生极转变。铁电薄膜的极化状态调制半导体表面状态进一步控制晶体管源、漏极间的导通状态，实现数字电路中的逻辑态“0” 和“1”。而传统场效应管“0”和“1”的转换需要在栅极持续施加电压。因此铁电场效应管更加节能低耗。但之前介绍中器件的铁电薄膜都是采用传统的钙钛矿结构铁电材料。由于退极化场的存在，当钙钛矿铁电薄膜厚度低于临界尺寸时材料的铁电极化会消失。临界效应导致铁电场效应管尺寸过大，阻碍芯片集成度的提升。
本篇文章研究了二维铁电异质结构α-In2Se3/ZnSe的电子结构。研究发现在α-In2Se3铁电极化的翻转能实现异质结构的带隙从闭合到打开，即金属和半导体的转化，对应逻辑态“0” 和“1”，如图2。而且二维铁电异质结构没有临界效应，在尺寸上远小于传统的钙钛矿结构铁电材料。
图2.不同铁电极化下异质结构的能带结构
如图3，表明在两种不同堆叠的异质结中α-In2Se3只要分别克服37 meV和74 meV的微小势垒就能实现铁电极化反转。透射谱也会随着铁电极化反转呈现出不同的间隙，如图4。文章通过研究异质结构中α-In2Se3的极化反转的势垒以及基于该异质结构的器件的透射谱，从理论上进一步说明了基于α-In2Se3/ZnSe的铁电场效应管是可行的。
图3. 异质结构中铁电极化翻转需克服的势垒
图4. 不同铁电极化下基于该异质结构的器件透射系数
