Передовая микроэлектроника: как полупроводники нового поколения остаются целыми под напряжением

Electronics & Sensors INSIDER

Зетиан Ми (слева) обсуждает исследование с членами группы Самуэлем Ян, Данхао Ван и Цзяньнань Лью (справа) рядом с молекулярно-лучевой эпитаксией (MBE), использованной для выращивания тонких слоев ферроэлектрических нитридов, использованных в исследовании. Команда обнаружила, почему эти материалы не разваливаются, когда поддерживают два противоположных электрических поля. (Изображение: Марцин Щепански / Michigan Engineering)

Механизм, удерживающий новые ферроэлектрические полупроводники вместе, производит проводящий путь, который может позволить высокомощные транзисторы. Новый класс полупроводников, способных хранить информацию в электрических полях, может позволить компьютеры, работающие на меньшей мощности, сенсоры с квантовой точностью и конвертацию сигналов между электрическими, оптическими и акустическими формами — но то, как они поддерживали два противоположных электрических поляризации в одном материале, было загадкой.

Теперь команда, возглавляемая инженерами из Университета Мичигана, обнаружила причину, почему материалы, называемые wurtzite ферроэлектрическими нитридами, не разрывают сами себя.

«Wurtzite ферроэлектрические нитриды были недавно открыты и имеют широкий спектр применений в память электронной, RF-электронике, акусто-электронике, микроэлектромеханических системах (MEMS) и квантовой фотонике, чтобы назвать лишь несколько. Но базовый механизм ферроэлектрического переключения и компенсации заряда оставался неуловимым», — сказал Зетиан Ми, профессор колледжа Паллаб К. Бхаттачарья по инженерии и соавтор-корреспондент исследования в Nature.

Электрическая поляризация и домены

Электрическая поляризация немного похожа на магнетизм, но в то время как у стержневого магнита есть северный и южный полюс, у электрически поляризованного материала есть положительный и отрицательный полюс. Новые полупроводники могут начинать поляризованными в одном направлении. Воздействие электрического поля может переключить поляризацию материала — положительный полюс становится отрицательным и наоборот — и после выключения электрического поля перевернутая поляризация остается.

Но часто не весь материал переключает поляризацию. Вместо этого он делится на домены исходной поляризации и перевернутой поляризации. Там, где эти домены встречаются, и особенно там, где два положительных конца встречаются, исследователи не понимали, почему отталкивание не создает физического разрыва в материале.

«В принципе, разрыв поляризации нестабилен», — сказал Данхао Ван, постдокторант по электротехнике и компьютерной инженерии в Мичигане и соавтор-корреспондент исследования. «Эти интерфейсы имеют уникальную атомную структуру, которую никогда не наблюдали раньше. И еще более увлекательно, мы наблюдаем, что эта структура может быть подходящей для проводящих каналов в будущих транзисторах».

Атомарный механизм стабилизации

С экспериментальными исследованиями, возглавляемыми командой Ми, и теоретическими расчетами, возглавляемыми группой Эммануила Киупакиса, профессора материаловедения и инженерии в Мичигане, команда обнаружила, что существует атомарный разрыв в материале — но этот разрыв создает клей, который удерживает его вместе.

На горизонтальном стыке, где встречаются два положительных конца, кристаллическая структура фрактурируется, создавая кучу свисающих связей. Эти связи содержат негативно заряженные электроны, которые идеально балансируют избыточный положительный заряд на краю каждого домена внутри полупроводника.

«Это простой и элегантный результат — внезапное изменение поляризации обычно создает вредные дефекты, но в этом случае получившиеся сломанные связи предоставляют именно заряд, необходимый для стабилизации материала», — сказал Киупакис, также член семьи Карла Ф. и Патрисии Дж. Бетц и соавтор-корреспондент исследования.

«Что замечательно, так это то, что эта зарядная компенсация не просто случайная удача — это прямое следствие геометрии тетраэдров», — сказал он. «Это делает её универсальным стабилизирующим механизмом во всех тетраэдрических ферроэлектриках — классе материалов, быстро набирающем внимание за его потенциалом в микроэлектронных устройствах следующего поколения».

Команда обнаружила это с помощью электронной микроскопии, раскрывшей атомную структуру конкретного полупроводника, скандия галлия нитрида. Там, где домены встречались, обычная гексагональная кристаллическая структура была искривлена на нескольких атомных слоях, создавая сломанные связи. Микроскопия показала, что слои были ближе вместе, чем обычно, но расчеты функционала плотности были нужны для раскрытия структуры свисающих связей.

Помимо удержания материала вместе, электроны в свисающих связях создают настраиваемую супер-автостраду для электричества вдоль стыка, с примерно в 100 раз больше носителей заряда, чем в обычном транзисторе из нитрида галлия. Эта автострада может быть включена и выключена, перемещена внутри материала и сделана более или менее проводящей путем обращения, перемещения, усиления или ослабления электрического поля, устанавливающего поляризацию.

Команда сразу осознала его потенциал как полевого транзистора, который мог бы поддерживать высокие токи, хорошо для высокомощных и высокочастотных электроники. Это то, что они планируют построить следующим.

Источник