二維鐵電場效應晶體管（2D FeFETs）因其具備非易失存儲和快速開關性能，成為新型存儲器件、神經形態突觸等前沿領域的研究熱點。然而，目前鐵電材料和半導體層之間的相互作用機制尚未得到充分理解，尤其是在納米尺度下，鐵電極化與載流子分布之間的耦合演化關系尚缺乏精細的表征技術。

近日，南方科技大學黃博遠副教授團隊利用原位掃描微波阻抗顯微鏡（sMIM）和壓電響應力顯微鏡（PFM）等技術，直觀觀測了極化翻轉對二維半導體載流子分布的調控。成果已發表于Nano Letters，題為“Nanoscale Mapping of Carrier Distribution Regulated by Polarization in 2D FeFETs”。

為克服傳統表征的局限，該研究創新性地結合sMIM和PFM技術，對2D FeFET器件進行了高分辨率的原位表征。sMIM能夠提供納米尺度的局部電容和載流子分布信息，而PFM則直接觀測鐵電材料的極化狀態（圖1）。通過二者聯用，研究團隊首次直觀揭示了鐵電極化如何影響半導體層中載流子的空間分布。

圖1 sMIM和PFM工作原理示意圖。sMIM通過微波探針對樣品進行局域電容測量，同時PFM能測量樣品的壓電響應。

該研究團隊制備了MoS2/SiO2/Si的金屬-絕緣-半導體(MIS)異質結作為對照樣品，深入對比分析了MoS2/Pb(Zr0.2Ti0.8)O3(PZT)/ SrRuO3這一金屬-鐵電-半導體(MFS)異質結中鐵電極化對MoS2層載流子分布的影響。為減少靜電干擾，兩種測試的底柵電壓都采用三角方波電壓，并在ON和OFF狀態之間切換。ON狀態下施加直流偏壓，記錄數據；OFF狀態下則是在脈沖偏壓歸零后記錄數據。MIS結構樣品在PFM和sMIM單點測試下，均未顯示明顯的滯回（圖2b-d），表明柵極控制的載流子變化是易失性的。而MFS樣品sMIM單點測試中OFF狀態下的sMIM C-V和dC/dV amplitude-V分別顯示了與PFM測試相對應的滯回窗口和峰值，表明了MoS2層的載流子濃度在鐵電極化切換過程中發生了顯著的變化（圖2f-h）。

圖2 通過對比MIS和MFS異質結的PFM和sMIM單點測試回線，揭示了PZT極化有效調控MoS2的載流子濃度。

該研究團隊進一步對MFS樣品掃描成像后發現，MoS2層的載流子濃度在不同鐵電疇區域也有著明顯空間分布差異。sMIM的dC/dV Amplitude圖像與PFM的鐵電極化圖像呈現出一一對應的關系（圖3）。

圖3 PFM和sMIM圖像對比。右下角MoS2層的載流子分布與PZT層的極化疇結構相似，而左上角無MoS2層。

圖4 在不同底柵電壓下的sMIM原位測試結果與器件轉移曲線對照。

此外，團隊還通過對2D FeFET器件施加不同底柵電壓，進行sMIM原位測試表征（圖4）。研究觀測到了器件半導體層載流子濃度在極化翻轉后的重新分布，微觀電容演化與器件轉移曲線規律呼應。

該研究通過聯用高分辨率的sMIM和PFM技術，首次揭示了二維鐵電-半導體異質結中載流子分布與鐵電極化的微觀關聯，為后續深入理解2D FeFET器件中的鐵電柵極調控機制提供了新的視角。

文章的第一作者為南科大材料系碩士研究生蘇圣堯，通訊作者為黃博遠副教授和張鳳元研究助理教授，南科大是論文第一單位。南科大黎長建副教授與李江宇講席教授在該課題開展過程中提供了寶貴的建議。研究得到了國家自然科學基金原創探索項目、國家重點研發計劃儀器專項、廣東省信息功能氧化物材料與器件重點實驗室建設項目等資助。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c03962