氧化镓半导体在常温下也能稳定保持“铁电性”

长期以来，宽禁带半导体（如碳化硅、氮化镓和氧化镓）因具有高击穿电场和耐高温特性，被广泛用于高功率、高频电子设备；而铁电材料则因具备可翻转的自发极化，成为非易失性存储器的核心。但二者长期被认为‘水火不容’：宽禁带半导体需要刚性晶体结构来保障电学稳定性，而铁电性却依赖离子的柔性位移来实现极化翻转。这一根本矛盾严重阻碍了功率器件与存储器的单片集成。

本研究成功破解了这一难题——在亚稳态κ相氧化镓（κ-Ga₂O₃）中首次证实了室温下强健、本征的铁电性。研究人员采用工业界通用的金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在掺铌钛酸锶（NSTO）衬底上外延生长出高质量κ-Ga₂O₃薄膜，并系统验证了其从151纳米到仅5纳米厚度均具备稳定铁电响应。通过压电力显微镜（PFM）、二阶谐波产生（SHG）和宏观电滞回线测量等多尺度表征，确认该材料存在可逆的180°极化翻转、优异的开关保持性（4小时衰减极小）以及高达千万次（>10⁷次）的循环耐久性。

关键突破在于揭示了其独特的原子级开关机制：极化翻转并非靠传统铁电体中的离子跳跃，而是通过镓氧八面体与四面体之间的协同构型转换完成，整个过程不破坏化学键，能垒极低（仅26.4 meV/原子），因此可在室温下高效、低功耗运行。基于此，研究团队制备了金/κ-Ga₂O₃/NSTO铁电隧道结（FTJ），实现了超过10⁵的巨大隧穿电阻开关比（TER），性能远超同类铪基器件，且与标准半导体工艺兼容。

这项发现颠覆了‘宽禁带’与‘铁电性’互斥的传统认知，首次将两种重要功能统一于一种主流半导体材料之中。它不仅为设计新型多功能材料提供了新范式，更直接推动了功率-存储一体化芯片、可重构射频器件及类脑计算硬件的发展，具有重大基础意义与产业化前景。