氮化镓(GaN)是仅次于硅的第二大常用半导体材料。其物理特性和应用基于其无中心对称的瓦尔茨石晶格所产生的极化。近期的直接实验发现显示出一些方向与常规预期相悖，并且显著的剩余极化程度也引起了关注。

　　这种显著的不一致突显了对现有方法进行严格审查和增强的必要性，以将这些新发现纳入现有知识框架中，从而降低在这一快速发展的领域中产生误解和错误解释的风险。

　　近年来，针对III族氮化物(GaN、AlN、InN及相关合金)的研究在电子学、光电学、压电电子学、量子光子学及清洁能源等多个领域非常活跃。III族氮化物以其无对称中心的稳定瓦尔茨石相为特征。

　　在其结构内部，由于其他三条键的部分与沿c轴的部分不相等，形成了一个电偶极子。这个偶极子在定义瓦尔茨石氮化物的光学和电学特性方面至关重要，导致了沿c方向的显著自发和压电极化。

　　现代极化理论(MTP)

　　现代极化理论(MTP)为氮化物异质结构中的极化现象提供了定量解释和建模。以锌闪石(ZB)结构为参照，Bernardini等人首次计算了III族氮化物中的极化常数。MTP的成果在全球范围内引起了广泛关注，并在教科书中受到高度重视，成为成功将理论概念与实验结果结合的典范。

　　然而，最近各个研究小组对瓦尔茨石氮化物半导体的极化进行了实验测量。将稀土元素(铁电材料)引入瓦尔茨石结构中显著降低了极性切换的能量障碍，从而首次实现了瓦尔茨石半导体中自发极化的实验确定。

　　令人惊讶的是，测得的自发极化方向与MTP预测相反，其量级更大，达到了一个数量级。此外，扫描透射电子显微镜(STEM)、压电响应力显微镜(PFM)、湿法刻蚀以及密度泛函理论(DFT)计算进一步验证了这些结果。

　　这些根本性的差异显著挑战了理论框架和器件开发，深刻扰乱了我们对这些材料中极化的基础理解。因此，有必要重新评估瓦尔茨石半导体中极化现象的理论框架。

　　基于分层六角参考的极化直接测量

　　这项研究旨在批判性地分析瓦尔茨石半导体中的极化现象，以澄清现有理论和实验中可能存在的误解。另一种方法是使用分层六角结构作为参考。

　　在每个晶胞中，四个原子形成一个六角Bravais晶格，定义了瓦尔茨石结构。历史上，四面体一直是一个常见的参考点，以清晰理解瓦尔茨石结构中的极化。完美四面体中的极化矢量相互抵消。

　　在III族氮化物的瓦尔茨石结构中，核心原子并不完全位于四面体中心。这会产生沿c轴的电极化，并且这个值不为零，有时被称为自发极化。在同一平面内，极化矢量在均匀应变下发生变化，产生沿c方向的极化——也被称为压电极化。

　　如图1右侧所示，直接测量实验的结果与传统理论的预期不符。研究者所建议的通常参考结构是分层六角结构。

　　这一新模型具有独特优势，因为基于分层六角结构的计算与实验结果更加吻合。这表明，使用分层六角参考将有助于更准确和全面地理解瓦尔茨石氮化物中的极化。

　　这些进展 necessitate 对瓦尔茨石半导体中的极化进行全面审查，并强调使用分层六角结构作为标准参考的适用性。

　　影响与未来方向

　　对极化的新视角要求我们重新审视氮化物器件中的重要事件，包括二维载流子气体(2DCGs)的行为以及内部电场的影响。对放松异质结构中极化影响的探索以及非电特性表征方法的可能性依赖于进一步的研究。

　　这一新框架还强调了压电效应在生成二维电子气体(2DEGs)中的重要作用，这可能比迄今为止认为的自发极化的作用更为重要。此外，氮化物系统中2DEGs的稳定性和韧性也在进一步研究中。

　　结论

　　瓦尔茨石氮化物中极化测量的最新进展要求我们在对这一现象的理解上进行根本性转变。这一转变不仅会强化理论框架，还将改善氮化物基器件的设计原则和功能，为该领域未来的创新铺平道路。

浮思特科技专注功率器件领域，为客户提供IGBT、IPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片，是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。