东京科学研究所(Science Tokyo)的研究人员最近研究报告称，他们制备出了钪含量创历史新高的(Al,Ga,Sc)N薄膜，该薄膜在超低功耗存储器件方面具有激动人心的潜力。他们利用反应磁控溅射技术，对三元合金的成分进行了微调，以克服此前存在的稳定性限制。

除了能够实现高效的数据存储之外，由于其具有良好的压电和光电特性，这些薄膜还有望成为 6G 通信和光学计算的噪声过滤器。

电子设备体积越来越小，但功能却比以往任何时候都更加强大，这催生了对能够存储更多数据、功耗更低的存储技术的需求。非易失性铁电存储器已成为解决这一问题的一种有前景的解决方案。通过保持固有的电极化，这些器件无需持续供电即可保存存储的信息，从而延长了电池寿命，并实现了更复杂的移动计算。

氮化镓 (GaN) 和氮化铝 (AlN) 是目前已用于 LED 的材料，它们拥有独特的晶体结构，正负电荷中心会自然错位。这种错位会产生可切换的极化，并可通过施加的外部电压进行控制，从而为非易失性存储器功能奠定基础。

科学家们知道，将钪 (Sc) 添加到这些晶体结构中可以显著降低工作电压，实现超低功耗运行。然而，由于 GaN 和 AlN 的稳定性存在根本限制，增加 Sc 的浓度已被证明极具挑战性。

在此背景下，日本东京科学研究所(Science Tokyo)船久保宏教授领导的研究团队取得了重大突破，成功合成了钪浓度空前高的(Al,Ga,Sc)N薄膜。他们的研究成果在线发表于《APL Materials》杂志，表明以适当的比例将氮化铝(AlN)与氮化镓(GaN)合金化，可以显著增加最终晶体结构中钪的含量。

首先，研究人员采用反应磁控溅射(一种物理气相沉积技术)在铂和钛涂层的硅基底上沉积成分精确控制的(Al,Ga,Sc)N薄膜。通过精细调整溅射参数和靶材功率，合成了多种元素比例不同的三元合金。

随后，研究人员利用先进技术对这些薄膜进行了严格的表征，例如利用X射线衍射确定其晶体结构，利用电子显微镜检查其微观结构，以及利用电学测量评估其铁电和介电性能。他们采用系统性方法绘制出了AlN-GaN-ScN体系的“相图”，揭示了在较高Sc含量下，当镓含量较少时，铁电活性纤锌矿晶体结构的新区域。

这项研究的一个重要成果是，随着三元合金中钪含量的增加，材料的矫顽场(E c ，即切换极化所需的电场)显著降低。研究团队观察到，随着钪比例的增加，E c显著下降，从 5.8 MV/cm 降至 1.8 MV/cm。

Funakubo 表示： “这一 Ec值远低于此前研究中针对 AlN 和 GaN 基纤锌矿薄膜各种掺杂剂所报告的大多数值，这对于存储器件的开发非常有前景。” 对结果的进一步分析表明，熵效应可能是造成这种效应的原因。

值得注意的是，电压降低可直接转化为存储器件的低功耗，从而解决现代电子领域最紧迫的挑战之一。除了存储应用之外，这些新型铁电薄膜还展现出优异的压电和光电特性。

Funakubo 表示：“这些特性为高频噪声滤波器和超低功耗光学计算系统开辟了潜在的应用，这些应用对于下一代 6G 智能手机和以超低功耗运行的光学计算设备是必不可少的。”

总体而言，降低的工作电压、增强的功能特性以及与现有半导体加工技术的兼容性使得 (Al,Ga,Sc)N 薄膜成为下一代电子产品的有希望的材料。

更多信息： Reika Ota 等人，《薄膜成分对(Al1−x−yGaxScy)N 三元纤锌矿薄膜晶体结构和铁电性的影响》，APL Materials (2025)。期刊信息： APL Materials