客户成果丨南方科技大学《Nano Letters》：FeFETs中极化驱动载流子密度重构的定量探测

铁电场效应晶体管（FeFET）凭借铁电极化非易失性调控半导体沟道载流子的能力，在存储器和类脑计算领域前景广阔。其性能核心在于极化态与载流子分布的精确耦合，然而纳米尺度下该相互作用的定量表征极具挑战。传统电学测量难以解析载流子纳米分布，本研究创新性地将扫描微波阻抗显微术（sMIM）、压电响应力显微术（PFM）与数值模拟相结合，首次在MoS2/PZT基FeFET中实现了纳米尺度下极化-载流子密度的定量表征。该工作揭示了极化翻转导致载流子密度跨越两个数量级（1011至1013 cm-2）的变化及其对器件开关特性的核心影响，为优化FeFET性能提供了关键实验与理论依据。

南方科技大学材料科学与工程系黄博远团队在铁电场效应晶体管表征领域取得最新进展，该研究成果以“Quantitative Probing of Polarization-Driven Carrier Density Reconfiguration in FeFETs”为题发表在《Nano Letters》上。

团队成功制备了基于MoS2/PZT/SRO异质结构的二维FeFET器件（图1a）。铁电层PZT表现出优异的铁电性，剩余极化约50 μC/cm2，矫顽电压约±10 V（图1b）。施加背栅电压（±12 V）可稳定诱导向上（Pup）或向下（Pdown）极化态。器件输出特性曲线明确显示，在Pup与Pdown态之间，源漏电流变化高达约两个数量级（图1c），直观证实了极化对器件开关比的显著调控作用。

图1 MoS2/PZT/SRO结构FeFET器件的电学表征。(a) 器件结构示意图；(b) 器件中铁电层的极化-电压（P-V）回线；(c) 不同极化态下的输出特性曲线；(d) 畴写入后的PFM相位成像；(e) 对应的sMIM（dC/dV）成像

图2 MoS2的sMIM测量结果。(a) 不同电压下的sMIM电容成像；(b) 对应的dC/dV振幅成像；(c) 实验与模拟的sMIM C-V曲线对比；(d) 实验与模拟的dC/dV-V曲线对比。

利用AFM探针电压写入特定极化域后，通过PFM相位成像可清晰观测到1μm × 1μm的向下极化区域（180°相位翻转）与周围向上极化区域的鲜明对比（图1d）。同时进行的sMIM（dC/dV）成像在MoS2/PZT区域（图左）呈现出与PFM完全匹配的图案（图1e），直接证明了PZT极化翻转对MoS₂沟道内载流子密度的纳米尺度调制。而纯PZT区域（图右）则无响应，凸显了sMIM对半导体载流子的特异性敏感。

图3 MoS2/PZT结构中极化驱动的载流子密度调控。(a) 实验与模拟sMIM C-V曲线对比；(b) 模拟的金属探针/h-BN/MoS2/PZT/SRO异质结模型。

图4 载流子密度的定量分析。(a) 不同极化态下载流子密度分布的数值模拟结果；(b) 基于PFM振幅×相位余弦推导的极化分布；(c) sMIM dC/dV测量获得的载流子密度分布；(d) 极化与载流子密度测量值强关联性的统计直方图。

为突破sMIM定量化难题，团队结合sMIM实验数据与有限元模拟（图3a,b），建立了校准曲线（图2c, d），成功标定出少层MoS2的本征载流子密度。将此方法应用于MoS2/PZT/SRO异质结，通过对sMIM C-V回线（图3a,b）的分支拟合，定量得出极化翻转（Pup至Pdown）导致MoS2中载流子密度发生跨越两个数量级的变化。此变化幅度与器件开关比（~102）高度吻合，表明开关行为主要由极化驱动的载流子密度变化主导。一维静电模型（图4a）与关联PFM（极化映射，图4b）和sMIM（载流子密度映射，图4c）的统计结果进一步确证了纳米尺度下极化强度与载流子密度间存在定量、强关联的耦合关系。

该工作中通过使用TuoTuo Technology的紫外无掩模光刻机（UV Litho-ACA）高效、精准地制备了研究所需的微纳器件电极结构。

南方科技大学材料科学与工程系硕士生苏圣尧为论文第一作者，张凤元研究助理教授和黄博远副教授为论文共同通讯作者。

该工作得到了国家科技部、国家自然科学基金、广东省重点实验室项目、广东省基础与应用基础研究基金的支持。器件制备环节得到了TuoTuo Technology 在紫外无掩模光刻设备上的关键技术支持。

 论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c02917