We report on the demonstration of ferroelectricity in ScxAl1-xN grown by molecular beam epitaxy on GaN templates. Distinct polarization switching is unambiguously observed for ScxAl1-xN films with Sc contents in the range of 0.14–0.36. Sc0.20Al0.80N, which is nearly lattice-matched with GaN, exhibiting a coercive field of ∼ 4.2 MV/cm at 10 kHz and a remnant polarization of ∼135 μC/cm2. After electrical poling, Sc0.20Al0.80N presents a polarization retention time beyond 105 s. No obvious fatigue behavior can be found with up to 3 × 105 switching cycles. The work reported here is more than a technical achievement. The realization of ferroelectric single-crystalline III–V semiconductors by molecular beam epitaxy promises a thickness scaling into the nanometer regime and makes it possible to integrate high-performance ferroelectric functionality with well-established semiconductor platforms for a broad range of electronic, optoelectronic, and photonic device applications.

1.
M. E.
Lines
and
A. M.
Glass
,
Principles and Applications of Ferroelectrics and Related Materials
(
Oxford University Press
,
2001
).
2.
J.
Scott
,
Science
315
,
954
(
2007
).
3.
L. W.
Martin
and
A. M.
Rappe
,
Nat. Rev. Mater.
2
,
1
(
2017
).
4.
T.
Mikolajick
,
S.
Slesazeck
,
H.
Mulaosmanovic
,
M.
Park
,
S.
Fichtner
,
P.
Lomenzo
,
M.
Hoffmann
, and
U.
Schroeder
,
J. Appl. Phys.
129
,
100901
(
2021
).
5.
J.
Li
,
C.
Ge
,
J.
Du
,
C.
Wang
,
G.
Yang
, and
K.
Jin
,
Adv. Mater.
32
,
1905764
(
2020
).
6.
P. V.
Balachandran
,
B.
Kowalski
,
A.
Sehirlioglu
, and
T.
Lookman
,
Nat. Commun.
9
,
1
(
2018
).
7.
H.
Mulaosmanovic
,
E. T.
Breyer
,
T.
Mikolajick
, and
S.
Slesazeck
,
Nat. Electron.
3
,
391
(
2020
).
8.
J.
Zhu
,
L.
Chen
,
J.
Jiang
,
X.
Lu
,
L.
Yang
,
B.
Hou
,
M.
Liao
,
Y.
Zhou
,
X.
Ma
, and
Y.
Hao
,
IEEE Electron Device Lett.
39
,
79
(
2018
).
9.
M.
Si
,
A. K.
Saha
,
S.
Gao
,
G.
Qiu
,
J.
Qin
,
Y.
Duan
,
J.
Jian
,
C.
Niu
,
H.
Wang
,
W.
Wu
,
S. K.
Gupta
, and
P. D.
Ye
,
Nat. Electron.
2
,
580
(
2019
).
10.
D. P.
Pavlov
,
R. R.
Zagidullin
,
V. M.
Mukhortov
,
V. V.
Kabanov
,
T.
Adachi
,
T.
Kawamata
,
Y.
Koike
, and
R. F.
Mamin
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
237001
(
2019
).
11.
E.
Gradauskaite
,
P.
Meisenheimer
,
M.
Müller
,
J.
Heron
, and
M.
Trassin
,
Phys. Sci. Rev.
6
,
20190072
(
2021
).
12.
H.
Morkoç
,
Handbook of Nitride Semiconductors and Devices, Materials Properties, Physics and Growth
(
John Wiley & Sons
,
2009
).
13.
S.
Zhang
,
D.
Holec
,
W. Y.
Fu
,
C. J.
Humphreys
, and
M. A.
Moram
,
J. Appl. Phys.
114
,
133510
(
2013
).
14.
M.
Noor-A-Alam
,
O. Z.
Olszewski
, and
M.
Nolan
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
,
20482
(
2019
).
15.
M.
Akiyama
,
T.
Kamohara
,
K.
Kano
,
A.
Teshigahara
,
Y.
Takeuchi
, and
N.
Kawahara
,
Adv. Mater.
21
,
593
(
2009
).
16.
R.
Deng
,
S. R.
Evans
, and
D.
Gall
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
112103
(
2013
).
17.
M.
Baeumler
,
Y.
Lu
,
N.
Kurz
,
L.
Kirste
,
M.
Prescher
,
T.
Christoph
,
J.
Wagner
,
A.
Žukauskaitė
, and
O.
Ambacher
,
J. Appl. Phys.
126
,
045715
(
2019
).
18.
M. A.
Caro
,
S.
Zhang
,
T.
Riekkinen
,
M.
Ylilammi
,
M. A.
Moram
,
O.
Lopez-Acevedo
,
J.
Molarius
, and
T.
Laurila
,
J. Phys.: Condens. Matter
27
,
245901
(
2015
).
19.
Y.
Zhang
,
W.
Zhu
,
D.
Zhou
,
Y.
Yang
, and
C.
Yang
,
J. Mater. Sci.
26
,
472
(
2015
).
20.
S.
Fichtner
,
N.
Wolff
,
F.
Lofink
,
L.
Kienle
, and
B.
Wagner
,
J. Appl. Phys.
125
,
114103
(
2019
).
21.
S.
Yasuoka
,
T.
Shimizu
,
A.
Tateyama
,
M.
Uehara
,
H.
Yamada
,
M.
Akiyama
,
Y.
Hiranaga
,
Y.
Cho
, and
H.
Funakubo
,
J. Appl. Phys.
128
,
114103
(
2020
).
22.
N.
Wolff
,
S.
Fichtner
,
B.
Haas
,
M. R.
Islam
,
F.
Niekiel
,
M.
Kessel
,
O.
Ambacher
,
C.
Koch
,
B.
Wagner
, and
F.
Lofink
,
J. Appl. Phys.
129
,
034103
(
2021
).
23.
D.
Wang
,
J.
Zheng
,
P.
Musavigharavi
,
W.
Zhu
,
A. C.
Foucher
,
S. E.
Trolier-McKinstry
,
E. A.
Stach
, and
R. H.
Olsson
,
IEEE Electron Device Lett.
41
,
1774
(
2020
).
24.
D.
Ng
,
T.
Zhang
,
L.
Siow
,
L.
Xu
,
C.
Ho
,
H.
Cai
,
L.
Lee
,
Q.
Zhang
, and
N.
Singh
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
183506
(
2020
).
25.
S.-L.
Tsai
,
T.
Hoshii
,
H.
Wakabayashi
,
K.
Tsutsui
,
T.-K.
Chung
,
E. Y.
Chang
, and
K.
Kakushima
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
082902
(
2021
).
26.
S.-L.
Tsai
,
T.
Hoshii
,
H.
Wakabayashi
,
K.
Tsutsui
,
T.-K.
Chung
,
E. Y.
Chang
, and
K.
Kakushima
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
60
,
SBBA05
(
2021
).
27.
X.
Liu
,
D.
Wang
,
K.-H.
Kim
,
K.
Katti
,
J.
Zheng
,
P.
Musavigharavi
,
J.
Miao
,
E. A.
Stach
,
R. H.
Olsson
 III
, and
D.
Jariwala
,
Nano Lett.
21
,
3753
(
2021
).
28.
D.
Wang
,
P.
Musavigharavi
,
J.
Zheng
,
G.
Esteves
,
X.
Liu
,
M. M. A.
Fiagbenu
,
E. A.
Stach
,
D.
Jariwala
, and
R. H.
Olsson
 III
,
Phys. Status Solidi RRL
15
,
2000575
(
2021
).
29.
J.
Wang
,
Y.
Zheng
, and
A.
Ansari
,
Phys. Status Solidi RRL
15
,
2100034
(
2021
).
30.
S.
Rassay
,
F.
Hakim
,
C.
Li
,
C.
Forgey
,
N.
Choudhary
, and
R.
Tabrizian
,
Phys. Status Solidi RRL
15
,
2100087
(
2021
).
31.
D.
Drury
,
K.
Yazawa
,
A.
Mis
,
K.
Talley
,
A.
Zakutayev
, and
G. L.
Brennecka
,
Phys. Status Solidi RRL
15
,
2100043
(
2021
).
32.
M. T.
Hardy
,
B. P.
Downey
,
N.
Nepal
,
D. F.
Storm
,
D. S.
Katzer
, and
D. J.
Meyer
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
162104
(
2017
).
33.
K.
Frei
,
R.
Trejo-Hernández
,
S.
Schütt
,
L.
Kirste
,
M.
Prescher
,
R.
Aidam
,
S.
Müller
,
P.
Waltereit
,
O.
Ambacher
, and
M.
Fiederle
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
58
,
SC1045
(
2019
).
34.
P.
Wang
,
D. A.
Laleyan
,
A.
Pandey
,
Y.
Sun
, and
Z.
Mi
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
151903
(
2020
).
35.
J.
Casamento
,
C. S.
Chang
,
Y.-T.
Shao
,
J.
Wright
,
D. A.
Muller
,
H.
Xing
, and
D.
Jena
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
112101
(
2020
).
36.
A. J.
Green
,
J. K.
Gillespie
,
R. C.
Fitch
,
D. E.
Walker
,
M.
Lindquist
,
A.
Crespo
,
D.
Brooks
,
E.
Beam
,
A.
Xie
, and
V.
Kumar
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
1056
(
2019
).
37.
S.
Leone
,
J.
Ligl
,
C.
Manz
,
L.
Kirste
,
T.
Fuchs
,
H.
Menner
,
M.
Prescher
,
J.
Wiegert
,
A.
Žukauskaitė
, and
R.
Quay
,
Phys. Status Solidi RRL
14
,
1900535
(
2020
).
38.
J.
Ligl
,
S.
Leone
,
C.
Manz
,
L.
Kirste
,
P.
Doering
,
T.
Fuchs
,
M.
Prescher
, and
O.
Ambacher
,
J. Appl. Phys.
127
,
195704
(
2020
).
39.
M. T.
Hardy
,
E. N.
Jin
,
N.
Nepal
,
D. S.
Katzer
,
B. P.
Downey
,
V. J.
Gokhale
,
D. F.
Storm
, and
D. J.
Meyer
,
Appl. Phys. Express
13
,
065509
(
2020
).
40.
P.
Wang
,
B.
Wang
,
D. A.
Laleyan
,
A.
Pandey
,
Y.
Wu
,
Y.
Sun
,
X.
Liu
,
Z.
Deng
,
E.
Kioupakis
, and
Z.
Mi
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
032102
(
2021
).
41.
J.
Kataoka
,
S.-L.
Tsai
,
T.
Hoshii
,
H.
Wakabayashi
,
K.
Tsutsui
, and
K.
Kakushima
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
60
,
030907
(
2021
).
42.
J.
Casamento
,
H. G.
Xing
, and
D.
Jena
,
Phys. Status Solidi B
257
,
1900612
(
2020
).
43.
D.
Wang
,
J.
Su
,
Z.
Chen
,
T.
Wang
,
L.
Yang
,
B.
Sheng
,
S.
Lin
,
X.
Rong
,
P.
Wang
, and
X.
Shi
,
Adv. Electron. Mater.
5
,
1800651
(
2019
).
44.
S.
Sakr
,
E.
Warde
,
M.
Tchernycheva
,
L.
Rigutti
,
N.
Isac
, and
F.
Julien
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
142103
(
2011
).
45.
X.
Lou
,
J. Appl. Phys.
105
,
024101
(
2009
).
46.
Y. A.
Genenko
,
J.
Glaum
,
M. J.
Hoffmann
, and
K.
Albe
,
Mater. Sci. Eng., B
192
,
52
(
2015
).
You do not currently have access to this content.