Передовая микроэлектроника:как полупроводники нового поколения остаются неповрежденными в условиях стресса

Электроника и датчики INSIDER

Цзэтянь Ми (слева) обсуждает исследования с членами группы Сэмюэлем Яном, Данхао Ваном и Цзяннань Лю (справа) рядом с аппаратом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), используемым для выращивания тонких слоев сегнетоэлектрических нитридов, использованных в исследовании. Команда выяснила, почему эти материалы не распадаются, когда они поддерживают два противоположных электрических поля. (Изображение:Марцин Щепански/Michigan Engineering)

Механизм, удерживающий вместе новые сегнетоэлектрики-полупроводники, создает проводящий путь, который может позволить создавать мощные транзисторы. Новый класс полупроводников, способных хранить информацию в электрических полях, мог бы стать основой для компьютеров, работающих с меньшим энергопотреблением, датчиков с квантовой точностью и преобразования сигналов между электрическими, оптическими и акустическими формами, но как они поддерживают две противоположные электрические поляризации в одном и том же материале, остается загадкой.

Теперь команда под руководством инженеров Мичиганского университета обнаружила причину, по которой материалы, называемые сегнетоэлектрическими нитридами вюрцита, не разрываются на части.

"Сегнетоэлектрические нитриды вюрцита были недавно обнаружены и имеют широкий спектр применений в электронике памяти, радиочастотной электронике, акустоэлектронике, микроэлектромеханических системах (МЭМС) и квантовой фотонике, и это лишь некоторые из них. Но основной механизм сегнетоэлектрического переключения и компенсации заряда остается неуловимым", - сказал Зетиан Ми, профессор технических наук Университета Паллаба К. Бхаттачарья и соавтор исследования в Природа .

Электрическая поляризация немного похожа на магнетизм, но хотя у стержневого магнита есть северный и южный конец, у электрически поляризованного материала есть положительный и отрицательный конец. Новые полупроводники могут изначально поляризоваться в одном направлении. Воздействие электрического поля может изменить поляризацию материала — положительный конец становится отрицательным и наоборот — и как только электрическое поле отключается, обратная поляризация сохраняется.

Но зачастую не весь материал меняет поляризацию. Вместо этого он разделен на области исходной поляризации и обратной поляризации. Там, где эти домены встречаются, и особенно там, где сходятся два положительных конца, исследователи не поняли, почему отталкивание не привело к физическому разрыву материала.

«В принципе, разрыв поляризации не является стабильным», — сказал Даньхао Ван, постдокторант UM в области электротехники и вычислительной техники и соавтор исследования. "Эти интерфейсы имеют уникальное расположение атомов, которое никогда раньше не наблюдалось. И что еще более интересно, мы заметили, что эта структура может подойти для проводящих каналов в будущих транзисторах".

С помощью экспериментальных исследований, проведенных командой Ми, и теоретических расчетов, проведенных группой Эммануила Киупакиса, профессора материаловедения и инженерии Университета штата Массачусетс, команда обнаружила, что в материале существует разрыв атомного масштаба, но этот разрыв создает клей, который скрепляет его.

В горизонтальном стыке, где встречаются два положительных конца, кристаллическая структура разрушается, образуя кучу оборванных связей. Эти связи содержат отрицательно заряженные электроны, которые идеально уравновешивают избыточный положительный заряд на краю каждого домена внутри полупроводника.

«Это простой и элегантный результат — резкое изменение поляризации обычно приводит к вредным дефектам, но в этом случае разрывающиеся связи обеспечивают именно тот заряд, который необходим для стабилизации материала», — сказал Киупакис, также научный сотрудник факультета семьи Карла Ф. и Патрисии Дж. Бетц и соавтор исследования.

«Что примечательно, так это то, что это снятие заряда — не просто счастливая случайность — это прямое следствие геометрии тетраэдров», — сказал он. «Это делает его универсальным стабилизирующим механизмом во всех тетраэдрических сегнетоэлектриках — классе материалов, который быстро привлекает внимание из-за своего потенциала в микроэлектронных устройствах следующего поколения».

Команда обнаружила это с помощью электронной микроскопии, которая выявила атомную структуру конкретного полупроводника, который они использовали, — нитрида скандия-галлия. Там, где домены встречались, обычная гексагональная кристаллическая структура изгибалась в нескольких атомных слоях, создавая разрывы связей. Микроскопия показала, что слои расположены ближе друг к другу, чем обычно, но для выявления структуры оборванных связей потребовались расчеты теории функционала плотности.

Помимо удержания материала вместе, электроны в оборванных связях создают регулируемую сверхмагистраль для электричества вдоль соединения, в которой примерно в 100 раз больше носителей заряда, чем в обычном транзисторе из нитрида галлия. Эту магистраль можно включать и выключать, перемещать внутри материала и делать более или менее проводящей, меняя, перемещая, усиливая или ослабляя электрическое поле, которое устанавливает поляризацию.

Команда сразу же осознала его потенциал как полевого транзистора, способного выдерживать большие токи, подходящего для мощной и высокочастотной электроники. Вот что они планируют построить дальше.

Источник