氮化铝钪薄膜：实现下一代铁电存储器件

想象一下，一个只有纳米厚的薄膜，可以存储千兆字节的数据——足够用于电影、视频游戏和视频。这是铁电材料用于存储的令人兴奋的潜力。这些材料具有独特的离子排列，导致两种不同的极化状态，类似于二进制代码中的0和1，可用于数字存储

这些状态是稳定的，这意味着它们可以在没有电源的情况下“记住”数据，并且可以通过施加小电场来有效地切换。这种特性使它们非常节能，能够实现快速的读写速度。然而，一些众所周知的铁电材料，如Pb（Zr，Ti）O3（PZT）和SrBi2Ta2O9，在制造过程中暴露于氢气热处理时会降解并失去极化

在《应用物理快报》杂志上发表的一项研究中，由东京工业大学助理教授Kazuki Okamoto和Hiroshi Funakubo领导的研究小组与佳能ANELVA公司和日本同步辐射研究所（JASRI）合作，表明氮化铝钪（AlScN）铁电薄膜在高达600°C的温度下保持稳定并保持其铁电性能

“我们的结果证明，无论电极材料如何，在含氢气氛中进行热处理的薄膜的铁电性都具有很高的稳定性。这对下一代铁电存储器件来说是一个非常有前景的结果，并提供了更多的加工选择，”Funakubo说

对于在含H2气氛下与高温制造工艺兼容的铁电材料，理想情况下，它们的晶体结构和铁电性能几乎不会退化。这方面的两个关键参数是剩余极化（Pr）和矫顽场（Ec）。Pr是指去除电场后保留的极化，而Ec是切换材料极化状态所需的电场

AlScN的Pr（>；100µC/cm²）高于PZT（30-50µC/cm³）。然而，到目前为止，在含H2气氛下热处理对其性能的影响尚不清楚

为了研究这一点，研究人员在400°C下使用溅射法在硅基板上沉积了（Al0.8Sc0.2）N薄膜。薄膜被放置在铂（Pt）和氮化钛（TiN）的两个电极之间。电极在材料的稳定性中起着至关重要的作用。Pt促进氢气进入薄膜，而TiN则作为H₂扩散的屏障。因此，评估不同电极材料的性能至关重要

薄膜在氢气和氩气气氛中，在400至600°C、800托的温度下进行了30分钟的后热处理。研究人员使用X射线衍射（XRD）来检查块体和薄膜电极界面中晶体结构的变化。正上负下（PUND）测量用于评估Pr和Ec。该技术涉及向薄膜施加正负电场并观察由此产生的偏振响应

薄膜保持了稳定的纤锌矿型晶体结构。Pr在120µC/cm²以上保持稳定，无论电极或处理气氛如何，其值是HfO2基薄膜的五倍，是PZT的三倍。此外，Ec仅略微增加了约9%。这种增加归因于薄膜晶格常数的变化，而不是由于氢气的存在或所用电极的选择。值得注意的是，与其他易受氢扩散影响的铁电材料不同，Al和N之间的高键能可防止氢渗透薄膜

Funakubo说：“结果表明，（Al0.8Sc0.2）N比传统的铁电和HfO2基铁电薄膜更能抵抗后热处理的退化。”（Al，Sc）N薄膜具有相对稳定的晶体结构、较高的Pr值和较小的Ec变化，是下一代铁电存储器件的有前景的候选者