Fortschrittliche Mikroelektronik:Wie Halbleiter der nächsten Generation unter Stress intakt bleiben

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Zetian Mi (links) bespricht die Forschung mit den Gruppenmitgliedern Samuel Yang, Danhao Wang und Jiangnan Liu (rechts) neben der Molekularstrahlepitaxie (MBE), die zum Aufwachsen der dünnen Schichten ferroelektrischer Nitride verwendet wird, die in der Studie verwendet werden. Das Team entdeckte, warum diese Materialien nicht auseinanderbrechen, wenn sie zwei entgegengesetzte elektrische Felder unterstützen. (Bild:Marcin Szczepanski/Michigan Engineering)

Der Mechanismus, der neue ferroelektrische Halbleiter zusammenhält, erzeugt einen leitenden Pfad, der Hochleistungstransistoren ermöglichen könnte. Eine neue Klasse von Halbleitern, die Informationen in elektrischen Feldern speichern können, könnte Computer ermöglichen, die mit weniger Strom arbeiten, Sensoren mit Quantenpräzision und die Umwandlung von Signalen zwischen elektrischen, optischen und akustischen Formen – aber wie sie zwei entgegengesetzte elektrische Polarisationen im selben Material aufrechterhalten, war ein Rätsel.

Nun hat ein Team unter der Leitung von Ingenieuren der University of Michigan den Grund dafür herausgefunden, warum sich die als Wurtzit-ferroelektrische Nitride bezeichneten Materialien nicht selbst zerreißen.

„Die ferroelektrischen Wurtzit-Nitride wurden kürzlich entdeckt und haben ein breites Anwendungsspektrum in der Speicherelektronik, HF-Elektronik, Akustoelektronik, mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) und Quantenphotonik, um nur einige zu nennen. Der zugrunde liegende Mechanismus des ferroelektrischen Schaltens und der Ladungskompensation ist jedoch noch immer unklar“, sagte Zetian Mi, Pallab K. Bhattacharya Collegiate Professor of Engineering und Mitautor der Studie Natur .

Elektrische Polarisation ist ein bisschen wie Magnetismus, aber während ein Stabmagnet ein Nord- und ein Südende hat, hat ein elektrisch polarisiertes Material ein positives und ein negatives Ende. Die neuen Halbleiter könnten zunächst in eine Richtung polarisiert sein. Die Einwirkung eines elektrischen Feldes kann die Polarisation des Materials ändern – das positive Ende wird negativ und umgekehrt – und sobald das elektrische Feld ausgeschaltet ist, bleibt die umgekehrte Polarisation bestehen.

Aber oft ist es nicht das gesamte Material, das die Polarisation ändert. Stattdessen wird es in Bereiche der ursprünglichen Polarisation und der umgekehrten Polarisation unterteilt. Wo diese Bereiche zusammentreffen und insbesondere dort, wo zwei positive Enden zusammenkommen, verstanden die Forscher nicht, warum die Abstoßung nicht zu einem physischen Bruch im Material führte.

„Im Prinzip ist die Polarisationsdiskontinuität nicht stabil“, sagte Danhao Wang, U-M-Postdoktorand in Elektrotechnik und Computertechnik und Mitautor der Studie. „Diese Grenzflächen haben eine einzigartige atomare Anordnung, die noch nie zuvor beobachtet wurde. Und was noch aufregender ist:Wir haben beobachtet, dass diese Struktur für leitende Kanäle in zukünftigen Transistoren geeignet sein könnte.“

Mit experimentellen Studien unter der Leitung von Mis Team und theoretischen Berechnungen unter der Leitung der Gruppe von Emmanouil Kioupakis, U-M-Professor für Materialwissenschaften und -technik, stellte das Team fest, dass es im Material einen Bruch auf atomarer Ebene gibt – dieser Bruch erzeugt jedoch den Klebstoff, der es zusammenhält.

An der horizontalen Verbindung, wo sich die beiden positiven Enden treffen, wird die Kristallstruktur gebrochen, wodurch eine Reihe frei hängender Bindungen entsteht. Diese Bindungen enthalten negativ geladene Elektronen, die die überschüssige positive Ladung am Rand jeder Domäne innerhalb des Halbleiters perfekt ausgleichen.

„Es ist ein einfaches und elegantes Ergebnis – eine abrupte Polarisationsänderung würde normalerweise schädliche Defekte erzeugen, aber in diesem Fall liefern die resultierenden gebrochenen Bindungen genau die Ladung, die zur Stabilisierung des Materials erforderlich ist“, sagte Kioupakis, ebenfalls Stipendiat der Karl F. und Patricia J. Betz Family Faculty und Mitautor der Studie.

„Bemerkenswert ist, dass diese Ladungsaufhebung nicht nur ein glücklicher Zufall ist, sondern eine direkte Folge der Geometrie von Tetraedern“, sagte er. „Dies macht es zu einem universellen Stabilisierungsmechanismus in allen tetraedrischen Ferroelektrika – einer Materialklasse, die aufgrund ihres Potenzials in mikroelektronischen Geräten der nächsten Generation schnell an Aufmerksamkeit gewinnt.“

Das Team entdeckte dies mithilfe eines Elektronenmikroskops, das die atomare Struktur des von ihnen verwendeten Halbleiters Scandium-Galliumnitrid enthüllte. Dort, wo die Domänen aufeinander trafen, wurde die übliche hexagonale Kristallstruktur über mehrere Atomlagen gewölbt, wodurch die gebrochenen Bindungen entstanden. Die Mikroskopie zeigte, dass die Schichten näher beieinander lagen als normal, es waren jedoch Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie erforderlich, um die Struktur der baumelnden Bindungen aufzudecken.

Die Elektronen in den freien Bindungen halten das Material nicht nur zusammen, sondern schaffen auch eine einstellbare Autobahn für Elektrizität entlang der Verbindung mit etwa 100-mal mehr Ladungsträgern als in einem normalen Galliumnitrid-Transistor. Dieser Highway kann ein- und ausgeschaltet, innerhalb des Materials bewegt und mehr oder weniger leitend gemacht werden, indem das elektrische Feld, das die Polarisation festlegt, umgekehrt, verschoben, verstärkt oder abgeschwächt wird.

Das Team erkannte sofort sein Potenzial als Feldeffekttransistor, der hohe Ströme unterstützen kann und sich für Hochleistungs- und Hochfrequenzelektronik eignet. Das ist es, was sie als nächstes bauen wollen.

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