1 工作简介

         ——III族氮化物半导体强极化的实验测定

III族氮化物半导体因其纤锌矿结构的非中心对称性而具有强自发极化和压电极化效应，在器件物理与结构设计中发挥着不可替代的作用，是氮化镓（GaN）光电子与高频电子器件“极化工程”的物理基础。然而，近年来纤锌矿铁电氮化物半导体（如钪铝氮，ScAlN）被发现具有超过1 C/m²的巨极化强度，与III族氮化物半导体材料体系长期沿用的极化常数和方向认知存在根本性差异，使得极化的实验标定和统一描述成为亟需解决的基础科学问题。

针对这一关键问题，北京大学人工微结构与介观物理全国重点实验室宽禁带半导体研究中心团队通过局域原子尺度与宏观电学极化测量相结合的方法，从实验上确定了传统氮化物半导体（AlN、GaN、InN及其合金）以及铁电氮化物半导体ScAlN的极化大小和方向。在此基础上，团队以中心对称的层状六方结构作为统一参考，构建了适用于整个纤锌矿材料体系的极化描述框架，重新评估了GaN基异质结、ScAlN铁电异质结的极化分布，预测并初步实验证实了铁电极化翻转可显著增强界面束缚电荷密度及载流子调控能力。

该工作为理解纤锌矿氮化物半导体中的强极化与铁电极化效应提供了实验依据和理论框架。相关成果为传统GaN异质结器件及铁电氮化物半导体器件的材料设计、极化工程、界面工程和功能集成提供了重要支撑，对高功率、高频率电子器件以及非易失性高密度存储器的发展具有重要指导意义，并在射频微波、低功耗电子、人工智能、神经网络和感存算一体等前沿领域展现出广阔应用前景。

图2. 纤锌矿氮化物铁电半导体的宏观极化测量。

相关成果以“纤锌矿III族氮化物半导体巨极化的实验确认Experimental Determination of Giant Polarization in Wurtzite III-Nitride Semiconductors”为题发表于《自然通讯》（Nature Communications），叶昊天博士为论文第一作者，王平研究员、王涛高级工程师、王新强教授为共同通讯作者。北京大学为第一作者单位与唯一通讯作者单位。

2 主要作者简介

第一作者

叶昊天，北京大学物理学院博雅博士后。

2025年7月于北京大学获博士学位。主要从事氮化物铁电半导体材料与器件研究。在Nature Communications、Applied Physics Letters等期刊上发表论文12篇，授权专利7项。研究成果获“中国第三代半导体技术十大进展”。

通讯作者

王平，北京大学研究员，入选国家高层次青年人才计划。

长期从事宽禁带半导体及新型氮化物铁电半导体材料、物理与器件研究，在Nature Communications、Advanced Materials等重要学术期刊上发表系列研究成果，受邀撰写氮化物铁电半导体研究的主题综述论文1篇、专著1章，授权国际PCT/美国/中国发明专利20余件。相关成果荣获“中国第三代半导体技术十大进展”。主持国家自然科学基金项目、国家重点研发计划（青年科学家）项目、北京市自然科学基金委重点项目等5项。

通讯作者

王涛，北京大学高级工程师，入选国家高层次青年人才计划。

主要从事氮化物半导体微观结构与物性研究。以第一作者或通讯作者在Nature Communications、Science Advances、Light: Science & Applications、Advanced Materials等期刊上发表系列研究成果，相关成果两次荣获“中国第三代半导体技术十大进展”。主持国家自然科学基金面上项目和青年项目，作为课题负责人承担国家重点研发计划（青年科学家）项目。

通讯作者

王新强，北京大学博雅特聘教授，国家基金委杰青项目获得者，教育部长江学者特聘教授，国家基金委创新群体首席科学家，国家重点研发计划首席科学家，国家高层次科技创新领军人才，美国光学学会会士。

长期从事氮化物半导体材料、物理与器件研究，相关成果在Nature Nanotechnology、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、Light: Science & Applications等期刊发表SCI论文300余篇，受邀在三部英文专著中撰写三章节，授权国内发明专利50余件。部分成果获2018年国家技术发明二等奖（第三完成人）、2022年中国光学学会光学科技奖一等奖（第一完成人）、2022年日内瓦国际发明展金奖（第一完成人）、2024年北京市技术发明奖一等奖（第一完成人）。受邀在ICPS、IWN、ICNS等国际知名会议上作报告30余次，担任ICPS、IWN、ICNS等多个重要国际会议的组织委员会委员。

3 原文传递

https://www.nature.com/articles/s41467-025-58975-0