Geavanceerde micro-elektronica: Hoe next-gen halfgeleiders intact blijven onder spanning

Het mechanisme dat nieuwe ferroelectrische halfgeleiders bijeen houdt, produceert een leidend pad dat high-power transistoren mogelijk kan maken. Een nieuwe klasse halfgeleiders die informatie kan opslaan in elektrische velden, kan computers mogelijk maken die op minder stroom draaien, sensoren met kwantumprecisie, en de conversie van signalen tussen elektrische, optische, en akoestische vormen — maar hoe ze twee tegengestelde elektrische polarisaties in hetzelfde materiaal handhaafden, was een mysterie.

Ontdekking van het stabiliserende mechanisme

Nu heeft een team geleid by ingenieurs van de University of Michigan de reden ontdekt waarom de materialen, genaamd wurtzite ferroelectrische nitriden, zich niet zelf uiteenrukken.

"De wurtzite ferroelectrische nitriden zijn recentelijk ontdekt en hebben een breed scala aan toepassingen in geheugenelektronica, RF-elektronica, acousto-elektronica, micro-electromechanische systemen (MEMS), en kwantumfotonica, om er maar een paar te noemen. Maar het onderliggende mechanisme van ferroelectrische schakeling en ladingcompensatie is onbekend gebleven," aldus Zetian Mi, Pallab K. Bhattacharya Collegiate Professor of Engineering en co-corresponding author van de studie in Nature.

Polarisatiedomeinen en gebroken bindingen

Electrische polarisatie is een beetje als magnetisme, maar waar een staafmagneet een noord- en zuidpool heeft, heeft een elektrisch gepolariseerd materiaal een positieve en negatieve pool. De nieuwe halfgeleiders kunnen beginnen gepolariseerd in één richting. Blootstelling aan een elektrisch veld kan de polarisatie van het materiaal omkeren — de positieve pool wordt negatief en vice versa — en zodra het elektrische veld uitstaat, blijft de omgekeerde polarisatie behouden.

Maar vaak is het niet het hele materiaal dat de polarisatie omkeert. In plaats daarvan is het verdeeld in domeinen van de oorspronkelijke polarisatie en de omgekeerde polarisatie. Waar deze domeinen samenkomen, en vooral waar twee positieve uiteinden samen komen, begrepen onderzoekers niet waarom de afstoting geen fysieke breuk in het materiaal creëerde.

"In principe is de polarisatiediscontinuïteit niet stabiel," aldus Danhao Wang, U-M postdoctoraal onderzoeker in electrical and computer engineering en co-corresponding author. "Die interfaces hebben een unieke atoomstructuur die nog nooit eerder is waargenomen. En nog meer opwindend, we observeerden dat deze structuur geschikt kan zijn voor geleidende kanalen in toekomstige transistoren."

Atomaire breuk als lijm

Met experimentele studies geleid door Mi's team en theorie berekeningen geleid door de groep van Emmanouil Kioupakis, U-M professor materials science and engineering, ontdekte het team dat er een atomaire-schaal breuk in het materiaal is — maar die breuk creëert de lijm die het bij elkaar houdt.

Bij de horizontale voeg, waar de twee positieve uiteinden samenkomen, is de kristalstructuur gefractureerd, wat een boel dangling bonds creëert. Die bindingen bevatten negatief geladen elektronen die de excessieve positieve lading aan de rand van elk domein binnen de halfgeleider perfect compenseren.

"Het is een simpele en elegante uitkomst — een abrupte polarisatieverandering zou typisch schadelijke defecten creëren, maar in dit geval leveren de resulterende gebroken bindingen precies de lading die nodig is om het materiaal te stabiliseren," aldus Kioupakis, ook Karl F. and Patricia J. Betz Family Faculty Scholar en co-corresponding author.

"Wat opmerkelijk is, is dat deze ladingcompensatie niet alleen een gelukkige toeval is — het is een direct gevolg van de geometrie van tetraëders," hij zei. "Dit maakt het een universeel stabiliserend mechanisme in alle tetrahedrale ferroelectrica — een klasse materialen die snel aandacht trekt voor zijn potentieel in next-generation micro-elektronische apparaten."

Geleidende superhighway

Naast het bij elkaar houden van het materiaal, creëren de elektronen in de dangling bonds een aanpasbare superhighway voor elektriciteit langs de voeg, met ongeveer 100 keer meer ladingdragers dan in een normale galliumnitride transistor. Die highway kan aan en uit gezet worden, binnen het materiaal verplaatst worden, en meer of minder geleidend gemaakt worden door het elektrische veld dat de polarisatie instelt, om te keren, te verplaatsen, te versterken, of te verzwakken.

Het team realiseerde direct het potentieel als een field-effect transistor die hoge stromen kan ondersteunen, goed voor high-power en high-frequency elektronica. Dit is wat ze als volgende willen bouwen.

Bron: University of Michigan