《Current Applied Physics》：Self-powered neuromorphic photoresponses of ferroelectric AlScN/Si heterostructures
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AlScN/Si异质结构通过铁电极化与内置电场的协同作用实现自供电光响应，正向极化下光电流具有持久特性，可模拟生物突触的短期和长期可塑性，为神经形态光电子系统提供新途径。
肖张|梁国|陶鹏|罗冰城
中国西北工业大学物理科学与技术学院材料物理与化学国家重点实验室，陕西省西安市，710072
摘要
铝钪氮化物（AlScN）薄膜作为一种有前景的材料，结合了宽禁带半导体和铁电特性，被用于开发节能设备。本文报道了在铁电AlScN/Si异质结构中实现的自供电和可切换的光响应现象，这一现象是由退极化场与内置电场之间的协同作用驱动的。重要的是，正向极化状态能够产生持久的 photoresponse，从而模拟关键的生物功能，如短期和长期的突触可塑性。这项工作展示了通过铁电极化实现神经形态光响应的另一种途径，为节能智能光电子系统的应用提供了可能性。
引言
铁电材料具有自发的电极化，可以通过外部电场可逆地切换。它们的可切换极化特性以及相关的机电效应和热电效应，使其在非易失性存储器、传感器、执行器、能量收集设备和神经形态系统中具有广泛的应用前景[1,2]。罗谢尔盐中铁电性的发现标志着系统化铁电研究的开始[3]。随后的突破，特别是钙钛矿铁电体的发现，加速了基础研究和技术应用的发展。进入“超越摩尔定律”时代后，研究重点逐渐转向与主流半导体技术（尤其是互补金属氧化物半导体（CMOS）平台）兼容的铁电材料。这种兼容性使得铁电材料能够无缝集成到现有设备架构中，并为克服传统纳米电子学的能效瓶颈提供了途径。在这一背景下，基于氧化铪的氟石结构铁电体和纤锌矿结构铁电氮化物成为了最具前景的候选材料[[4], [5], [6]]。这两种材料最初被认为不是铁电的，但后来被证明具有显著的铁电性能，为实际应用开辟了新途径。铝氮化物（AlN）是一种宽禁带纤锌矿材料，传统上被认为是压电材料而非铁电材料。掺入钪不仅增强了其压电响应，使得铝钪氮化物晶圆在声波设备中得到商业化应用[7]，还表现出意外的铁电行为。2019年，实验表明掺Sc的AlN（Al1-xScxN，x～0.27–0.43）薄膜具有铁电性，表现出高极化强度（约70–100 μC/cm2）和较大的矫顽场（约2–4 MV/cm）[8]。此后，铁电氮化物薄膜引起了广泛关注，人们采用了多种策略（如化学替代[9,10]、极化工程[11]、应变调控[12]、邻近效应[13]和尺度效应[14]）来丰富和增强其物理性能。然而，它们对外部刺激的响应仍远不如氧化物铁电材料那么清楚。特别是光被证明是氧化物铁电材料中一种多功能控制参数，可以用于自供电光电探测器、光存储器和神经形态计算[[15], [16], [17]]。然而，铁电氮化物的光电子研究仍处于初级阶段[18]。
在这项工作中，我们研究了直接集成在主流硅基底上的铁电Al1-xScxN（x～0.35，AlScN）薄膜的光响应特性。我们证明了在零偏压下依赖于铁电极化的光电流，实现了自供电光检测。此外，正向极化（朝向顶部电极）会诱导持久的 photoresponse，使该器件能够作为光电突触使用。
实验部分
实验
通过在商用2英寸、高掺杂的n型（111）硅（电阻约0.005 Ω cm）和双抛光蓝宝石基底上使用射频（RF）反应磁控溅射技术，一次性生长了掺钪的AlN薄膜[9]。具体的沉积参数包括10 mTorr的Ar/N混合气体环境、40 W的目标功率和450°C的基底温度，生长速率约为1.8 nm/min。结构表征通过...
结果与讨论
通过透射电子显微镜（TEM）观察了AlScN薄膜的微观结构。图1(a)显示了一个厚度约为80 nm的AlScN层。图1(b)中的高分辨率TEM图像清晰地展示了AlScN薄膜与硅基底之间的界面。图1(b)插图中的选区电子衍射结果表明，AlScN层以纤锌矿相结晶，并且是外延对齐的。
结论
总结来说，Al0.65Sc0.35N（AlScN）薄膜是通过射频（RF）反应磁控溅射方法沉积在硅基底上的。高分辨率TEM和电子衍射的结构表征确认了其纤锌矿相结构，厚度约为80 nm，而EDX和XPS分析证实了钪掺入了铝氮化物基质中。AlScN薄膜表现出显著的铁电性，残余极化强度约为73.6 μC/cm2，矫顽场约为3.27 MV/cm。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作部分得到了国家自然科学基金（编号52333009）和国家重点研发计划（编号2023YFB3812700）的支持。
