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二维铁电场效应晶体管（2D FeFETs）因其具备非易失存储和快速开关性能，成为新型存储器件、神经形态突触等前沿领域的研究热点。然而，目前铁电材料和半导体层之间的相互作用机制尚未得到充分理解，尤其是在纳米尺度下，铁电极化与载流子分布之间的耦合演化关系尚缺乏精细的表征技术。
近日，南方科技大学黄博远副教授团队利用原位扫描微波阻抗显微镜（sMIM）和压电响应力显微镜（PFM）等技术，直观观测了极化翻转对二维半导体载流子分布的调控。成果已发表于Nano Letters，题为“Nanoscale Mapping of Carrier Distribution Regulated by Polarization in 2D FeFETs”。
为克服传统表征的局限，该研究创新性地结合sMIM和PFM技术，对2D FeFET器件进行了高分辨率的原位表征。sMIM能够提供纳米尺度的局部电容和载流子分布信息，而PFM则直接观测铁电材料的极化状态（图1）。通过二者联用，研究团队首次直观揭示了铁电极化如何影响半导体层中载流子的空间分布。
图1 sMIM和PFM工作原理示意图。sMIM通过微波探针对样品进行局域电容测量，同时PFM能测量样品的压电响应。
该研究团队制备了MoS2/SiO2/Si的金属-绝缘-半导体(MIS)异质结作为对照样品，深入对比分析了MoS2/Pb(Zr0.2Ti0.8)O3(PZT)/ SrRuO3这一金属-铁电-半导体(MFS)异质结中铁电极化对MoS2层载流子分布的影响。为减少静电干扰，两种测试的底栅电压都采用三角方波电压，并在ON和OFF状态之间切换。ON状态下施加直流偏压，记录数据；OFF状态下则是在脉冲偏压归零后记录数据。MIS结构样品在PFM和sMIM单点测试下，均未显示明显的滞回（图2b-d），表明栅极控制的载流子变化是易失性的。而MFS样品sMIM单点测试中OFF状态下的sMIM C-V和dC/dV amplitude-V分别显示了与PFM测试相对应的滞回窗口和峰值，表明了MoS2层的载流子浓度在铁电极化切换过程中发生了显著的变化（图2f-h）。
图2 通过对比MIS和MFS异质结的PFM和sMIM单点测试回线，揭示了PZT极化有效调控MoS2的载流子浓度。
该研究团队进一步对MFS样品扫描成像后发现，MoS2层的载流子浓度在不同铁电畴区域也有着明显空间分布差异。sMIM的dC/dV Amplitude图像与PFM的铁电极化图像呈现出一一对应的关系（图3）。
图3 PFM和sMIM图像对比。右下角MoS2层的载流子分布与PZT层的极化畴结构相似，而左上角无MoS2层。
图4 在不同底栅电压下的sMIM原位测试结果与器件转移曲线对照。
此外，团队还通过对2D FeFET器件施加不同底栅电压，进行sMIM原位测试表征（图4）。研究观测到了器件半导体层载流子浓度在极化翻转后的重新分布，微观电容演化与器件转移曲线规律呼应。
该研究通过联用高分辨率的sMIM和PFM技术，首次揭示了二维铁电-半导体异质结中载流子分布与铁电极化的微观关联，为后续深入理解2D FeFET器件中的铁电栅极调控机制提供了新的视角。
文章的第一作者为南科大材料系硕士研究生苏圣尧，通讯作者为黄博远副教授和张凤元研究助理教授，南科大是论文第一单位。南科大黎长建副教授与李江宇讲席教授在该课题开展过程中提供了宝贵的建议。研究得到了国家自然科学基金原创探索项目、国家重点研发计划仪器专项、广东省信息功能氧化物材料与器件重点实验室建设项目等资助。
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c03962
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