【原】中科院纳米能源所《AFM》：一种压电和磁性双栅铁电半导体晶体管

压电电子学是金属-半导体或半导体-半导体异质结构界面上压电极化与半导体特性之间的耦合效应。压电电子学在压电半导体材料中得到了广泛的研究，例如氮化镓、氧化锌和碳化硅等第三代半导体，以及二维过渡金属二卤化物（MoS₂、WSe₂）。得益于机械刺激与半导体特性的直接耦合，压电技术不仅可用于高灵敏度地测量应变/应力，还能通过外加力改善电子器件的性能。然而，这些压电半导体的压电系数相对较小。例如，具有晶格结构的第三代半导体材料的压电系数通常小于 10 pm V^-1，从而阻碍了器件的实际应用。虽然具有较大压电系数的传统铁电材料被广泛应用于非易失性存储器、传感器、和人工突触等领域，但它们的超高电阻使其也不适合压电器件应用。最近，二维铁电半导体𝛼-In₂Se₃ 引起了人们的关注，因为它能在室温下保持低至几个原子层的铁电性，并具有互锁的面内（IP）和面外（OOP）偶极子。此外，铁电半导体的铁电极化方向很容易被外部电场改变，与压电半导体相比，这为调节铁电半导体表面的压电势提供了更多的调节手段。虽然，压电效应是压电特性和半导体特性的耦合效应；然而，压电半导体的压电常数相对较小，而具有较大压电常数的铁电材料通常具有较弱的半导体特性，从而限制了压电材料和器件的有效耦合系数。

来自中国科学院北京纳米能源与系统研究所的学者利用 Terfenol-D、氧化铝（Al₂O₃）和铁电半导体𝜶-In₂Se₃ 制备了压电和磁性双栅铁电半导体晶体管（PM-FEST），后者具有较大的压电系数、室温铁电性和偶极锁定。PM-FEST 的电荷载流子传输和相应的漏极电流可直接受外加磁场或外部应变的调制。在低磁场（<200 mT）条件下，基于𝜶-In₂Se₃ 的 PM-FEST 的最大电流通断比高达 1700%。与传统的压电器件相比，PM-FEST 具有比压电半导体更高的量规因子（2.3 × 10⁴）。这项工作为利用压电和磁致伸缩的耦合作用在半导体中实现磁调制电子器件提供了可能。相关文章以“A Piezotronic and Magnetic Dual-Gated Ferroelectric Semiconductor Transistor”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https:///10.1002/adfm.202307901

图 1. 三相耦合系统与 PM-FEST 结构的关系以及铁电半导体𝛼-In₂Se₃的表征。a) 示意图显示了磁性、半导体和铁电之间的三相耦合。b) 实验𝛼-In₂Se₃ PM-FEST 的示意图，它由稀土 Terfenol-D、70 nm Al2O3、作为通道的二维铁电半导体𝛼-In₂Se₃和作为源极/漏极的 50 nm 金组成。c,d) 14.2 nm 厚的 In₂Se₃ 薄片在写入 +8 V 和 -8 V 直流偏压后的 OOP 和相应的 IP 相图像。e,f) 16.1 nm 𝛼-In₂Se₃ 的 PFM 幅值和 PFM 相位与电压滞后环的关系。e) 散点图表示原始数据，实线表示平滑数据。

图 2. a) 𝛼-In₂Se₃ FES-FET 实验示意图和制造的𝛼-In₂Se₃ FES-FET 的光学图像。b) 不同极化状态下的带图（i,iii 面外极化；ii,iv 面内极化）。c) 以 280 nm SiO₂ 为栅极电介质的代表性𝛼-In₂Se₃ 晶体管在室温下的 I_ds-V_ds 和 d) I_ds-Vbg 特性。e) 原始状态、POOP 下降状态（施加 V_ds = +10 V 后）和 POOP 上升状态（施加 V_ds = -12 V 后）的I_ds-V_ds 特性。f) 平面𝛼-In₂Se₃ 器件的 I-V 曲线。

图 3. 应变调制下𝛼-In₂Se₃ 压电晶体管的电气性能。a,c) PM-FEST 应变相关 I-V 特性。

a) POOP 上升态和 c) POOP 下降态。b,d) 有效势垒高度随应变的变化。

图 4.PM-FEST 的动态电流对外加磁场的响应。a,b)IP、OOP 开关耦合和平面器件结构的示意模型。c,e) 不同磁场下的 I_ds-V_ds 输出特性。d,f) 在漏极偏置为 d) -3 V 和 f) 3 V 时，漏极电流与磁场的函数关系。H = 151 mT、g) V_ds = -3 V 和 H = 183 mT、i) V_ds = +3 V 时 PM-FEST 的瞬态响应。

图 5. a) 器件横截面结构和磁场作用下 POOP 上升态的平衡能带图 b) 器件横截面结构和磁场作用下 POOP 下降态的平衡能带图 c) PM-FEST 在压缩和拉伸应变下的通断比直方图。

总之，本研究报告了一种多场耦合压电和磁性双栅铁电半导体晶体管。本研究首次探索了室温磁场下基于铁电半导体材料的压电器件。研究了铁电半导体沟道在压缩应变（0-0.06%）和拉伸应变（0-0.07%）或外加磁场下的压电效应调制机制。由于压电极化电荷对势垒高度的调制效应，PM-FEST 器件在 0.07% 的拉伸应变下表现出 1700% 的高灵敏度和高达 2.3 × 10⁴ 的 GF，这表明我们的 PM-FEST 具有多场耦合应用的可行性。这些发现为研究压电电子学和压电光电子学的特性提供了一个新的视角，并提出了在应变传感器、磁传感器、智能微/纳米机电系统（MEMS/NEMS）、人机交互和逻辑运算中的潜在应用。（文：SSC）