先进微电子学：新一代铁电半导体为何在应力下保持完整
电子与传感器 INSIDER
Zetian Mi（左）与团队成员 Samuel Yang、Danhao Wang、Jiangnan Liu（右）在分子束外延 (MBE) 设备旁讨论研究，该设备用于生长研究中使用的铁电氮化物薄层。团队发现这些材料为何能在支撑两个相反电场时不破裂。（图片：Marcin Szczepanski/Michigan Engineering）
将新型铁电半导体结合在一起的机制产生了一条导电路径，可实现高功率晶体管。这类新型半导体能在电场中存储信息，有望实现低功耗计算机、量子精度传感器，以及电、光、声信号间的转换——但它们为何能在同一材料中维持两个相反的电极化一直是个谜。
如今，密歇根大学工程师领导的团队揭示了 wurtzite 铁电氮化物不自我撕裂的原因。
“Wurtzite 铁电氮化物近期被发现，在存储电子、射频电子、声电子、微机电系统 (MEMS) 和量子光子学等领域应用广泛。但铁电翻转和电荷补偿的潜在机制一直难以捉摸，”密歇根大学 Pallab K. Bhattacharya 工程讲席教授、论文共同通讯作者 Zetian Mi 表示。
电极化类似磁性，但磁铁有南北极，电极化材料有正负极。新型半导体可能初始朝一个方向极化。暴露于电场可翻转材料极化——正极变负、负极变正——电场移除后，反向极化保持。
但往往并非整个材料翻转极化，而是分裂成原始极化和反向极化的畴。这些畴相遇处，特别是两个正极相遇处，研究人员不理解为何排斥力不产生物理断裂。
“原则上，极化不连续是不稳定的，”密歇根大学电子与计算机工程博士后、共同通讯作者 Danhao Wang 说，“这些界面具有前所未见的独特原子排列。更令人兴奋的是，我们观察到这种结构可能适合未来晶体管的导电通道。”
通过 Mi 团队的实验研究和 Emmanouil Kioupakis 教授团队的理论计算，团队发现材料存在原子尺度断裂——但这种断裂产生了将材料粘合在一起的“胶水”。
在水平界面上，两个正极相遇处，晶体结构断裂，产生大量悬空键。这些键包含负电荷电子，完美平衡了半导体中每个畴边缘的过量正电荷。
“这是一个简单而优雅的结果——突变的极化通常会产生有害缺陷，但在此情况下，产生的断键恰好提供稳定材料所需的电荷，”Kioupakis 表示，他也是 Karl F. 和 Patricia J. Betz 家族学者、共同通讯作者。
“值得注意的是，这种电荷抵消不仅仅是幸运的意外——它是四面体几何结构的直接后果，”他说，“这使其成为所有四面体铁电体的通用稳定机制——这类材料因其在下一代微电子器件中的潜力而迅速受到关注。”
团队利用电子显微镜揭示了所用半导体——钪镓氮化物——的原子结构。畴相遇处，常规六方晶体结构在数个原子层上发生屈曲，形成断键。显微镜显示层间距比正常更近，但需密度泛函理论计算才能揭示悬空键结构。
除了维持材料完整，悬空键中的电子还在界面处形成可调节的电子“高速公路”，载流子密度约为普通镓氮化物晶体管的 100 倍。该通道可通过翻转、移动、增强或减弱设定极化的电场来开关、移动、调节导电性。
团队立即意识到其作为场效应晶体管的潜力，可支持大电流，适合高功率和高频电子学。这是他们下一步的建设目标。
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