专家视点

3 用于可扩展低功耗存储器的超薄范德华铁电氧化物

铁电场效应晶体管（FeFET）是在标准金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的栅极介质中插入一层铁电材料获得的。其将铁电动力学与半导体沟道的电导状态紧密耦合，是低功耗嵌入式非易失性存储器和存算一体架构的极具前景的构建器件。其中，铁电介质层的厚度缩小对于FeFET实现电压兼容性和降低器件动态功耗至关重要。当前，已开发出多种CMOS兼容的超薄铁电薄膜，包括锆掺杂氧化铪（HZO）以及钪掺杂氮化铝（AlScN）铁电材料。然而，随着铁电薄膜厚度不断缩小至5纳米以下，以往可控制的材料制备和器件集成如今正面临挑战。在超薄厚度下，传统的铁电氧化物会受到退极化场、界面电荷俘获和结构不均匀性的影响，导致性能快速退化且器件间一致性较差。尤其在对界面质量高度敏感的二维电子器件中，传统超薄铁电体与二维半导体界面易存在缺陷，界面适配性更差。在后摩尔时代电子学的大背景下，随着对能效、三维集成和异质材料平台的需求日益增长，铁电栅堆叠的可扩展性已成为核心挑战。尽管范德华铁电体为规避悬挂键引起的界面问题和临界厚度限制提供了一条颇具吸引力的途径，但迄今为止，由于缺乏具有稳定极化，宽禁带和高介电常数的晶圆级、兼容CMOS工艺的超薄范德华铁电材料，高性能二维FeFET的发展依然受到限制。

中国科学院半导体研究所王丽丽研究员在最新出版的《半导体学报（英文）》2026年第4期上发表News and views文章“Ultrathin van der Waals ferroelectric oxides for scalable low-power memory”，简短评论了北京大学彭海琳教授及其团队最近在《Science》（2026）上发表的一项工作。他们报道了一种晶圆级超薄范德华铁电氧化物亚硒酸铋（Bi₂SeO₅）及制备方法，直接解决了多个长期存在的技术难题。该研究通过可控氧化策略，将二维半导体前驱体转化为层状铁电氧化物，构建了一种本征氧化物制备路线，可实现具有原子级平整且化学匹配界面的铁电—半导体异质结构。这种材料设计方法区别于传统将铁电氧化物自上而下沉积到半导体沟道的工艺，后者在纳米厚度下通常会引入界面无序、与悬空键相关的陷阱态以及严重的退极化场。关键的是，所制备的范德华铁电氧化物在单原子层极限下仍具备稳定且可翻转的极化特性，清晰的面内与面外畴区写入、擦除过程直观证实了这一点。进一步，研究人员利用Bi₂O₂Se-Bi₂SeO₅-HfO₂异质结构构建了晶圆级FeFET阵列，并进行了分析和测试。器件转移曲线展现出高度一致的回滞窗口与翻转阈值。测试数据的统计分布从定量角度进一步验证了器件均匀性，所有器件的开关比与阈值电压均分布在较窄范围内。此外，该范德华铁电氧化物可以与二维半导体沟道实现可编程耦合，不同铁电极化状态可调控沟道内载流子分布，实现了导电态、半导体态与绝缘态之间的可控转变。这种静电可编程特性使同一物理器件无需改变几何结构即可工作于多种导电模式，这是传统非铁电栅介质材料难以实现的。基于该物理机制，研究人员展示了FeFET多级阈值电压可编程特性，其可选择性写入不同极化状态，在单个晶体管内实现多种非易失性导电能级编码。重要的是，这些可编程状态具备清晰且可重复的电压区间，能够在脉冲栅压控制下可实现不同逻辑状态间可重复、确定性的翻转。上述研究成果将范德华铁电FeFET从简单的非易失存储单元升级为可重构功能单元，使其能够支撑存算一体逻辑功能与自适应电路功能。

本文报道的范德华铁电氧化物平台从根本上避免了由表面悬挂键导致的界面无序，其铁电性能可维持至单原子层极限厚度。原子级铁电稳定性与晶圆级可制备性的结合，使范德华铁电材料在现有技术体系中占据独特优势。同时，本征氧化转化工艺为铁电材料集成提供了全新技术路线，铁电层与半导体沟道从初始阶段便具备化学与结构匹配性，有望缓解异质集成堆叠中普遍存在的界面失效层与退极化效应。尽管已取得上述研究进展，范德华铁电氧化物想要在实用型存储与逻辑器件技术中得到广泛应用，仍面临材料稳定性、工艺兼容性以及电路匹配性等诸多挑战。超薄铁电极化在持续电场应力、热循环以及环境暴露条件下的长期稳定性，仍需在符合工业标准的工作环境中加以验证。此外，将此类范德华铁电堆叠结构集成到复杂的后道工艺（BEOL）中，同时在大尺寸晶圆上保持界面质量与良率，将带来不容忽视的制造难题。在高密度集成阵列中的性能波动控制，以及将铁电器件与外围电路协同集成以构建大规模存算一体系统等方面，仍存在诸多待解决的问题。尽管如此，这项工作将原子级厚度的铁电特性与晶圆级工艺兼容性相结合，为开发兼具可扩展性、高能效且适用于三维集成的铁电器件平台指明了一条极具前景的技术路线。在后摩尔定律计算架构的探索需求日益迫切的背景下，范德华铁电氧化物材料有望为衔接基础铁电物理研究与可规模化量产的存储及逻辑器件技术，提供及时且极具竞争力的材料基础。

该文章以题为“Ultrathin van der Waals ferroelectric oxides for scalable low-power memory”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Ultrathin van der Waals ferroelectric oxides for scalable low-power memory

Full Text 

4 通过分子工程减缓钙钛矿太阳能电池的膦酸-钙钛矿界面降解

近年来，金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借高效率、低成本溶液加工与柔性兼容的优势革新下一代光伏技术，认证效率已突破27%，但长期运行稳定性不足成为其商业化的核心阻碍。膦酸基自组装单分子层（PA SAMs）是反式结构PSC空穴传输层的优选材料，却因与ITO间弱氢键结合，在光热应力下发生分子解吸与迁移，引发钙钛矿界面降解。

所制备的未封装小面积电池光电转换效率达25.0%，85°C光热条件下T90寿命近3000小时；封装后孔径面积约23.1 cm²的微型模组效率超22%，T90寿命约2200小时，性能远超已报道的SAM基器件。该工作破解了PSC长期存在的界面稳定性瓶颈，提出稳定界面层的通用设计原则，为钙钛矿太阳能电池的商业化应用提供关键支撑，推动其在建筑光伏、便携电源等领域落地。

该文章以题为“Mitigating phosphonic acid-perovskite interfacial degradation via molecular engineering for ultra-stable solar cells”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Mitigating phosphonic acid-perovskite interfacial degradation via molecular engineering for ultra-stable solar cells

Full Text