上海交通大學/香港理工大學AFM：鐵電半導體α-In2Se3的原位掃描微波阻抗顯微鏡（sMIM）研究

α-In₂Se₃作為一種特殊的范德華層狀材料，兼具表面自鈍化、半導體性、鐵電性，有望在存儲、邏輯、傳感與光電等領域得到豐富的應用，并且有助于緩解傳統鐵電材料器件中的界面態與可靠性問題，受到研究者的廣泛關注。然而，其耦合的鐵電性與半導體特性導致其電學特性與傳統鐵電體或半導體存在較大差異。

近日，上海交通大學王林團隊與香港理工大學Loh Kian Ping教授在國際知名學術期刊《Advanced Functional Materials》上發表題為“A Scanning Microwave Impedance Microscopy Study of α-In₂Se₃ Ferroelectric Semiconductor”的研究論文。該論文從薄膜、MOS結構、晶體管等三個層面對α-In₂Se₃鐵電半導體展開研究，深入探索了其鐵電性與半導體性耦合的獨特電子特性。

論文主要采用掃描微波阻抗顯微鏡（sMIM）進行高空間分辨率的材料與器件原位分析，并結合壓電力顯微鏡（PFM）與多物理場仿真等表征分析技術，揭示了α-In₂Se₃中鐵電性與半導體性耦合所表現出的特殊電學性質與器件特點。α-In₂Se₃薄膜的sMIM-C信號呈現出依賴于厚度的類反比關系，同時受其內部自由載流子分布的影響。同一襯底上，不同極化方向的α-In₂Se₃鐵電疇表現出差異化的sMIM電容（sMIM-C）信號，表明了材料電導率的極化調控特性。有別于傳統近絕緣的鐵電材料，基于α-In₂Se₃的MOS結構表現出典型的n型半導體C-V曲線特性，同時產生了由鐵電極化翻轉所引起的電壓回滯。針對基于α-In₂Se₃的鐵電半導體晶體管（FeSFET），采用原位 sMIM 技術以可視化、定量化的方式揭示了受柵電壓調控的溝道阻態變化過程。這項工作有望加深對范德華鐵電半導體物性，尤其是電學性質的理解，為其電子器件應用提供新的視角。

圖1 、α-In₂Se₃的材料特性與基于PFM的鐵電性表征。圖片來源：AFM

圖2、sMIM測試原理，sMIM信號與材料電導率的關系仿真， α-In₂Se₃片層的sMIM-C信號探測，及其與片層厚度的依賴關系。圖片來源：AFM

圖3、sMIM-C信號對α-In₂Se₃片層不同極化疇的識別探測，及α-In₂Se₃ MOS結構的C-V特性。圖片來源：AFM

圖4、α-In₂Se₃鐵電半導體晶體管電學特性及典型突觸行為模擬。圖片來源：AFM

圖5、對α-In₂Se₃突觸晶體管的原位sMIM表征，揭示了其溝道阻態的變化規律（更多數據請參見文章Supporting Information）。圖片來源：AFM

文章信息：Wang, Lin, et al. "A Scanning Microwave Impedance Microscopy Study of α‐In2Se3 Ferroelectric Semiconductor." Advanced Functional Materials (2024): 2316583.

DOI：10.1002/adfm.202316583

第一作者：王林，陳瀚

通訊作者：Loh Kian Ping 教授，王林 副教授