北京邮电大学物理科学与技术学院吴真平教授研究组联合南开大学张杨教授研究组、香港理工大学郝建华教授研究组，在国际上首次实验证实了宽禁带半导体氧化镓（Ga2O3）的室温本征铁电性，证明了宽禁带特性与铁电性可以在单一材料中共存，为功率器件与非易失性存储器的单片集成开辟了全新路径。相关成果”Robust Room-Temperature Ferroelectricity in the Wide-Bandgap Semiconductor Ga2O3“近日发表于国际学术期刊Science Advances。
此项工作由北京邮电大学、南开大学、香港理工大学、北京科技大学、上海大学合作完成。北京邮电大学物理科学与技术学院博士研究生申佳颖与香港理工大学应用物理学系博士研究生姚泳芙为该文共同第一作者，北京邮电大学吴真平教授、南开大学张杨教授和香港理工大学郝建华教授为论文的共同通讯作者。该研究受到国家自然科学基金、信息光子学与光通信国家重点实验室基金、中央高校基本科研业务费专项基金、香港研究资助局等项目资助。
Ga2O3是近年来备受关注的超宽禁带半导体材料，其禁带宽度（~4.8 eV）赋予其优异的击穿场强和热稳定性，在高功率电子器件、日盲紫外探测等领域展现出巨大应用潜力，被视为下一代功率半导体的核心材料之一。Ga2O3具有丰富的多晶型结构（α、β、γ、δ、κ五种相），其中亚稳态的κ相因其非中心对称晶格结构，理论上被预测具有铁电性，但由于该亚稳相的制备和表征极具挑战性，其铁电性始终未获实验验证，成为学界长期争议的焦点。
长期以来，宽禁带半导体与铁电材料被认为存在根本性的结构矛盾：宽禁带半导体需要刚性晶体结构以保证电学稳定性，这恰恰抑制了铁电性所需的原子位移；而传统铁电材料虽具有可开关的极化特性，却因带隙较窄在高电场下产生严重漏电流，且普遍存在与CMOS工艺不兼容、在10纳米以下厚度面临临界尺寸限制等问题。这一看似不可逾越的矛盾使得这两类重要材料长期处于分离状态，阻碍了能够在极端条件下工作同时保持存储功能的多功能电子系统的实现。
研究团队采用工业兼容的金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，克服了热力学障碍，成功制备了纯相外延κ-Ga2O3薄膜。通过系统的压电力显微镜（PFM）、极化滞回曲线测量、正向-负向（PUND）测试等表征手段，研究团队提供了κ-Ga2O3铁电性的确凿证据。值得注意的是，研究团队在仅5纳米厚的薄膜中实现了稳定的铁电开关——这一厚度已突破传统钙钛矿铁电体的临界尺寸限制。第一性原理计算揭示了独特的原子级开关机制：极化翻转通过GaO4四面体与GaO6八面体之间的协同转换实现，无需断裂化学键，开关能垒低于传统钙钛矿铁电体。
该研究首次在主流宽禁带半导体中实现本征铁电性，展现了宽禁带半导体特性与铁电性在单一材料中共存的可行性。这一研究不仅为κ-Ga2O3的铁电性提供了明确的实验证据，也进一步促进了半导体物理与铁电物理的交叉融合，为高功率和极端环境下信息器件的多功能集成等应用提供了全新的材料平台。这一发现也为在亚稳相材料中探索新型功能特性提供了有益的研究思路。
论文信息：Shen, J., Io, W. F., Liu, C. et al. Robust Room-Temperature Ferroelectricity in the Wide-Bandgap Semiconductor Ga2O3. Sci. Adv. (2026). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec5225.
图1. 铁电κ-Ga2O3的外延稳定与结构表征
图2. 超薄κ-Ga2O3薄膜的纳米尺度铁电开关特性
图3. 铁电极化翻转的原子级机制
