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【国内论文】Sci.Adv. 丨香港理工大学郝建华教授&北邮吴真平教授&南开大学张杨教授团队：化学气相沉积宽禁带半导体Ga₂O₃中稳健的室温铁电性
日期：2026-02-12阅读：198
香港理工大学郝建华教授，南开大学张杨教授，北邮吴真平教授等人发表题为 “Robust room-temperature ferroelectricity in the wide-bandgap semiconductor Ga2O3”于Science Advanced上。
背景
宽禁带（WBG）半导体与铁电材料在单一材料中的共存长期被视为材料科学中的根本难题。这种不兼容性源于截然相反的结构需求：宽禁带半导体需要刚性晶体结构以保证电学稳定性，而铁电材料则需要柔性离子排列以实现极化开关。解决这一根本冲突不仅能推进材料物理学理解，还能解锁前所未有的多功能能力。
宽禁带半导体如碳化硅、氮化镓和氧化镓（Ga₂O₃）凭借其卓越的击穿场强和热稳定性，已彻底改变了高功率和高频电子学领域。然而，其优化的刚性晶体结构固地抑制了存储所需的原子位移，使这些材料无法同时具备非易失性存储功能。相反，传统铁电材料虽能实现稳健的极化开关，但面临窄带隙、化学不稳定性、与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺不兼容以及根本的尺度限制等挑战。钙钛矿铁电体由于退极化场存在10纳米以下的临界厚度极限；新兴二维铁电材料尽管具有令人印象深刻的可扩展性，但带隙低于3 eV导致高场应用中出现 prohibitive 漏电流；即使是CMOS兼容的HfO₂也需要掺杂剂稳定且仅限于超薄膜。
Ga₂O₃因其丰富的多态性（α、β、γ、δ和κ五种相）而成为调节结构和电子特性的多功能平台。其中，亚稳态正交晶系κ相（空间群Pna2₁）因其非中心对称晶格和低能量极化反转势垒而成为铁电性的诱人候选。该结构具有独特的四面体（GaO₄）和八面体（GaO₆）配位位点，有利于可开关的自发极化。然而，实验验证长期受阻于相纯κ-Ga₂O₃薄膜的稳定化难题，以及区分本征开关与测量伪影的双重挑战
主要内容
本研究在宽禁带半导体氧化镓（Ga₂O₃）的亚稳态κ相中发现了本征室温铁电性，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在Nb掺杂SrTiO₃（NSTO）衬底上外延生长κ-Ga₂O₃薄膜，系统表征了其铁电性能及物理机制。高分辨X射线衍射和扫描透射电子显微镜证实薄膜为纯相外延生长，具有原子级锐利的界面；二次谐波产生测量验证了非中心对称晶体结构。压电力显微镜显示5 nm厚薄膜具有清晰的铁电畴翻转特征，180°相位对比和蝴蝶形振幅回线证实了可逆极化翻转，畴保持时间超过4小时，遵循幂律衰减（指数α=0.018），远优于超薄钙钛矿铁电体。
极化-电压回线测量显示5 nm薄膜的剩余极化为3 μC/cm²，与Hf₀.₅Zr₀.₅O₂、BiFeO₃等相当；疲劳测试表明极化在10⁷次循环后保持率超过95%。正上-负下测试排除了非铁电贡献。密度泛函理论计算揭示极化起源于GaO₄四面体和畸变GaO₆八面体的协同位移，Berry相位分析预测自发极化为24 μC/cm²；计算开关势垒为26.4 meV/原子，低于钙钛矿铁电体。原子分辨积分差分相位衬度STEM直接观察到Pna₂₁极性原子结构，Ga/O总位移约39.5 Å与理论计算高度吻合。极化翻转通过八面体-四面体-反相八面体的结构转变实现，无需断键。
基于5 nm κ-Ga₂O₃制备的铁电隧道结展现出超过10⁵的巨隧穿电致电阻效应，比HfO₂基隧道结高三个数量级；150次循环后电阻退化小于5%，保持特性投影寿命超过10年，单次翻转能耗低于3 pJ。该发现打破了宽禁带特性与铁电性互斥的传统认知，为单片集成功率与存储功能提供了统一平台。
实验细节
κ-Ga₂O₃外延薄膜通过MOCVD在（111）取向NSTO衬底上生长。NSTO衬底（10 mm×10 mm×0.5 mm）依次在丙酮、去离子水和乙醇中各清洗10分钟，然后在高纯氩气中干燥。三乙基镓（TEGa）和O₂作为前驱体，高纯Ar作为载气。相纯κ-Ga₂O₃需要狭窄的生长窗口（430-480°C，TEGa 300-800标准立方厘米每分钟），反映其亚稳态本质。优化条件为450°C、25 torr、O₂ 6000 SCCM、TEGa 350 SCCM。薄膜厚度通过沉积时间精确控制，获得5至151纳米范围的样品，在1 cm×1 cm生长区域内厚度均匀性>97%、相纯一致、铁电响应可重复。为进行相比较研究，β-Ga₂O₃对照薄膜使用相同前驱体和压力条件，但基于Ga₂O₃多态的热力学相变关系在升高温度（750°C）下生长
结论
本研究证明了亚稳态κ-Ga₂O₃将稳健铁电性与宽禁带半导体特性统一于单一材料中，解决了长期以来制约电子系统设计的材料不兼容性难题。在这一主流半导体中发现本征铁电行为——极化开关在5纳米厚度下稳定且耐久性超过10⁷次循环——建立了一种超越功率电子学与存储技术传统界限的材料范式。原子尺度机制揭示了独特的结构路径：极化反转通过协同的八面体-四面体转变实现，在保持局部配位环境的同时完成偶极完全反转。这种低势垒开关机制（26.4 meV/原子）无需接近击穿极限即可实现室温操作，与依赖能量密集型离子位移的传统铁电体形成鲜明对比。理论预测与原子分辨成像的结合为宽禁带材料中的铁电开关提供了前所未有的机理洞察。
10.1126/sciadv.aec5225
