博士后研究人员王鼎(左)和王萍(右)检查利用分子束外延生长的单晶铁电ScAlN晶片的表面。功劳:罗伯特·科利厄斯研究人员首次实现了单晶高质量铁电ⅲ-ⅴ族半导体，这些半导体可以集成到现有平台中，用于广泛的铁电、电子、光电和光子器件应用。铁电半导体是使用分子束外延(MBE)系统制造的，该系统已经用于制造主流的氮化物基器件。
他们的成就为新一代半导体铺平了道路，这些半导体在广泛的应用中提供了后摩尔定律的性能。
“从科学的角度来看，我们对这方面的工作非常兴奋，”领导这项研究的电气和计算机工程教授泽天米说。“我们想看看能否通过M BE制造出铁电III-V半导体，这在社区中被视为一大挑战。”
铁电半导体允许电极化的转换。这种质量在用于神经形态计算和人工智能的微电子存储器设备中特别有前途，在这些设备中，它可以导致更长的保留时间、更低的能量成本、更高的集成密度以及在恶劣环境中更强的鲁棒性。
铁电半导体在改进晶体管、发光二极管、激光器、光伏和电力电子器件方面有着无限的可能性，因此它也有能力增强移动通信的5G技术，并正在被探索用于生物研究。
但是，要想在商业上取得成功，铁电半导体必须可靠、可再生，并精确地适应应用的需要。
十多年来，Mi一直主导氮化镓(GaN)半导体的研究。氮化镓基半导体具有特殊的性质，使它们能够有效地发射超可见光和整个可见光谱，并在高功率、高频和高温电子器件和系统中优于硅。
氮化物半导体可以真正成为未来的材料，在它们的属性列表中增加铁电性。
2019年，在钪与氮化铝的合金化中，米的实验研究团队展示了单晶纤锌矿ScAlN的外延生长，理论上预测这是一种铁电材料。在这一令人兴奋的发现中，他们并不孤单，因为其他研究人员也开始报告同样的结果。
几乎立刻，美国和国外都出现了资助项目来支持进一步的研究。谁能通过与主流氮化物器件兼容的工艺来生长这类半导体，同时精确控制其电极化，这成了一场竞赛。
研究小组报告了一些使用溅射沉积工艺的成功，这种工艺不需要分子束外延的超高真空环境。然而，这种技术导致多晶材料的质量比具有单相纤锌矿晶体结构的材料低得多。
米和他的博士后研究团队和报道的突破是利用分子束外延(MBE)工艺制造出高质量、可控、可调谐的纯纤锌矿晶体结构铁电ScAlN半导体。
分子束外延创造新材料需要大量的试验和错误，因为研究人员测试不同的物质，看它们在受控条件下如何相互作用。单个材料层可能只有一个原子厚，许多变量会影响结果。但是一旦知道了配方，就可以重复用于大批量制造半导体器件，如晶体管。
通过他们独特的工艺，米的团队能够精确控制材料中的电流泄漏和电极化。他们期望能够将其设备扩展到纳米范围。
这项研究的标题是“通过分子束外延生长的完全外延铁电ScAlN”，发表在《应用物理快报》上。
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