Geavanceerde micro-elektronica:hoe halfgeleiders van de volgende generatie intact blijven onder stress

Elektronica en sensoren INSIDER

Zetian Mi (links) bespreekt onderzoek met groepsleden Samuel Yang, Danhao Wang en Jiangnan Liu (rechts) naast de moleculaire bundelepitaxie (MBE) die wordt gebruikt om de dunne lagen ferro-elektrische nitriden te laten groeien die in het onderzoek worden gebruikt. Het team ontdekte waarom deze materialen niet uit elkaar vallen als ze twee tegengestelde elektrische velden ondersteunen. (Afbeelding:Marcin Szczepanski/Michigan Engineering)

Het mechanisme dat nieuwe ferro-elektrische halfgeleiders bij elkaar houdt, produceert een geleidend pad dat transistors met hoog vermogen mogelijk zou kunnen maken. Een nieuwe klasse halfgeleiders die informatie in elektrische velden kan opslaan, zou computers mogelijk kunnen maken die op minder stroom werken, sensoren met kwantumprecisie kunnen maken en signalen kunnen omzetten tussen elektrische, optische en akoestische vormen – maar hoe ze twee tegengestelde elektrische polarisaties in hetzelfde materiaal in stand hielden, was een mysterie.

Nu heeft een team onder leiding van ingenieurs van de Universiteit van Michigan de reden ontdekt waarom de materialen, wurtziet-ferro-elektrische nitriden genaamd, zichzelf niet uit elkaar scheuren.

"De ferro-elektrische nitriden van wurtziet zijn onlangs ontdekt en hebben een breed scala aan toepassingen in geheugenelektronica, RF-elektronica, akoesto-elektronica, micro-elektromechanische systemen (MEMS) en kwantumfotonica, om er maar een paar te noemen. Maar het onderliggende mechanisme van ferro-elektrische schakeling en ladingscompensatie is ongrijpbaar gebleven", zegt Zetian Mi, de Pallab K. Bhattacharya Collegiale Professor of Engineering en co-corresponderende auteur van de studie in Natuur .

Elektrische polarisatie lijkt een beetje op magnetisme, maar terwijl een staafmagneet een noord- en een zuidkant heeft, heeft een elektrisch gepolariseerd materiaal een positief en een negatief uiteinde. De nieuwe halfgeleiders kunnen in één richting gepolariseerd beginnen. Blootstelling aan een elektrisch veld kan de polarisatie van het materiaal veranderen (het positieve uiteinde wordt negatief en omgekeerd) en zodra het elektrische veld is uitgeschakeld, blijft de omgekeerde polarisatie bestaan.

Maar vaak is het niet het hele materiaal dat de polarisatie verandert. In plaats daarvan is het verdeeld in domeinen van de oorspronkelijke polarisatie en de omgekeerde polarisatie. Waar deze domeinen elkaar ontmoeten, en vooral waar twee positieve kanten samenkomen, begrepen onderzoekers niet waarom de afstoting geen fysieke breuk in het materiaal veroorzaakte.

“In principe is de discontinuïteit van de polarisatie niet stabiel”, zegt Danhao Wang, postdoctoraal onderzoeker aan de U-M in elektrische en computertechniek en co-corresponderende auteur van het onderzoek. "Deze interfaces hebben een unieke atomaire opstelling die nog nooit eerder is waargenomen. En nog spannender:we hebben waargenomen dat deze structuur geschikt kan zijn voor geleidende kanalen in toekomstige transistors."

Met experimentele studies onder leiding van Mi's team en theoretische berekeningen onder leiding van de groep van Emmanouil Kioupakis, hoogleraar materiaalkunde en -techniek aan de U-M, ontdekte het team dat er een breuk op atomaire schaal in het materiaal zit, maar die breuk creëert de lijm die het bij elkaar houdt.

Bij het horizontale gewricht, waar de twee positieve uiteinden elkaar ontmoeten, wordt de kristalstructuur gebroken, waardoor een aantal bungelende verbindingen ontstaat. Deze bindingen bevatten negatief geladen elektronen die de overtollige positieve lading aan de rand van elk domein binnen de halfgeleider perfect in evenwicht brengen.

“Het is een eenvoudig en elegant resultaat:een abrupte polarisatieverandering zou doorgaans schadelijke defecten veroorzaken, maar in dit geval zorgen de resulterende verbroken bindingen precies voor de lading die nodig is om het materiaal te stabiliseren”, zegt Kioupakis, tevens de Karl F. en Patricia J. Betz Family Faculty Scholar en een co-corresponderende auteur van het onderzoek.

“Wat opmerkelijk is, is dat deze annulering van de kosten niet alleen maar een gelukkig toeval is – het is een direct gevolg van de geometrie van tetraëders,” zei hij. “Dit maakt het tot een universeel stabilisatiemechanisme in alle tetraëdrische ferro-elektrische materialen – een klasse materialen die snel de aandacht krijgt vanwege zijn potentieel in micro-elektronische apparaten van de volgende generatie.”

Het team ontdekte dit met behulp van elektronenmicroscopie die de atomaire structuur onthulde van de specifieke halfgeleider die ze gebruikten, scandium gallium nitride. Waar de domeinen elkaar ontmoetten, werd de gebruikelijke hexagonale kristalstructuur over verschillende atomaire lagen gebogen, waardoor de verbroken bindingen ontstonden. Uit de microscopie bleek dat de lagen dichter bij elkaar lagen dan normaal, maar berekeningen uit de dichtheidsfunctionaaltheorie waren nodig om de bungelende bindingsstructuur bloot te leggen.

Naast dat ze het materiaal bij elkaar houden, creëren de elektronen in de bungelende bindingen een instelbare supersnelweg voor elektriciteit langs het gewricht, met ongeveer 100 keer meer ladingsdragers dan in een normale galliumnitride-transistor. Die snelweg kan worden in- en uitgeschakeld, binnen het materiaal worden verplaatst en min of meer geleidend worden gemaakt door het elektrische veld dat de polarisatie veroorzaakt, om te keren, te verplaatsen, te versterken of te verzwakken.

Het team realiseerde zich onmiddellijk zijn potentieel als veldeffecttransistor die hoge stromen kon ondersteunen, goed voor elektronica met hoog vermogen en hoge frequentie. Dit is wat ze als volgende willen bouwen.

Bron