近日，北京郵電大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院吳真平教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港理工大學(xué)、南開大學(xué)等單位，在寬禁帶半導(dǎo)體鐵電性研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了主流寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵（Ga2O3）的室溫本征鐵電性，為解決長期以來的學(xué)術(shù)爭議提供了明確的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，相關(guān)成果發(fā)表于Science Advances。

氧化鎵作為新一代超寬禁帶半導(dǎo)體的“明星材料”，憑借約4.8 eV的超寬禁帶和優(yōu)異的抗擊穿特性，在高功率電子器件和日盲探測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，寬禁帶半導(dǎo)體為保證電學(xué)穩(wěn)定性，通常依賴于“剛性”的晶體結(jié)構(gòu)；而鐵電材料為了實(shí)現(xiàn)極化翻轉(zhuǎn)（也就是存儲(chǔ)信息），則需要原子具備“柔性”的位移能力。這種結(jié)構(gòu)上的天然矛盾，使得“寬禁帶特性”與“鐵電性”往往被認(rèn)為難以兼得，這也是制約多功能電子系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

鐵電κ-Ga2O3的外延穩(wěn)定與結(jié)構(gòu)表征

面對(duì)這一挑戰(zhàn)，北郵科研團(tuán)隊(duì)迎難而上。團(tuán)隊(duì)利用工業(yè)兼容的MOCVD技術(shù)，成功制備了純相外延κ-Ga2O3薄膜，并提供了其室溫本征鐵電性的確鑿證據(jù)。同時(shí)，通過精密的實(shí)驗(yàn)表征，觀測到了穩(wěn)定的鐵電翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，測得器件具有優(yōu)異的開關(guān)比（>105）和循環(huán)耐久性（>107次）。

鐵電極化翻轉(zhuǎn)的原子級(jí)機(jī)制

為了探究這背后的原因，第一性原理計(jì)算與原子級(jí)成像進(jìn)一步揭示了其獨(dú)特的微觀機(jī)制：極化翻轉(zhuǎn)是通過GaO4四面體與GaO6八面體之間的協(xié)同結(jié)構(gòu)畸變來實(shí)現(xiàn)的。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了在不破壞化學(xué)鍵的前提下，寬禁帶半導(dǎo)體依然可以通過特殊的結(jié)構(gòu)相變實(shí)現(xiàn)鐵電功能。

該進(jìn)展不僅促進(jìn)了半導(dǎo)體物理與鐵電物理的交叉融合，更為未來的半導(dǎo)體技術(shù)開辟了新路徑：即利用單一材料平臺(tái)，同時(shí)滿足高功率、高耐壓以及非易失性存儲(chǔ)的需求。為構(gòu)建高功率和極端環(huán)境下信息器件的多功能集成提供了全新的材料基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)思路。

本次帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)取得重要進(jìn)展的吳真平教授，現(xiàn)任中國物理學(xué)會(huì)固體缺陷專業(yè)委員會(huì)委員，高等學(xué)校固體物理研究會(huì)常務(wù)理事等學(xué)術(shù)職務(wù)。研究方向以寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵、鐵電鈦酸鋇為代表的功能氧化物薄膜/異質(zhì)結(jié)的外延生長、界面構(gòu)筑與性能精確調(diào)控，并探索其在探測傳感、電光調(diào)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

吳真平教授已主持國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目等國家/省部級(jí)項(xiàng)目十余項(xiàng)。以第一/通訊作者在Science Advances，Nature Communications，Advanced Materials等知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文100余篇，論文累計(jì)被引用9000余次。

2020年，團(tuán)隊(duì)成果獲北京市自然科學(xué)二等獎(jiǎng)

吳真平教授團(tuán)隊(duì)以原創(chuàng)成果，在半導(dǎo)體前沿刻下北郵印記。這不僅是物理機(jī)理的一次澄清，更折射出一代科研人于材料深處探尋可能、于教學(xué)相長中點(diǎn)亮未來的執(zhí)著。