先进微电子学：下一代半导体如何在压力下保持完好无损
电子与传感器内幕
Zetian Mi（左）与小组成员 Samuel Yang、Danhao Wang 和 Jiangnan Liu（右）在分子束外延 (MBE) 旁边讨论研究，该分子束外延 (MBE) 用于生长研究中使用的铁电氮化物薄层。研究小组发现了为什么这些材料在支持两个相反的电场时不会分解。 （图片来源：Marcin Szczepanski/密歇根工程）将新型铁电半导体结合在一起的机制产生了一条可以实现高功率晶体管的导电路径。一种可以在电场中存储信息的新型半导体可以使计算机以更少的功率运行，具有量子精度的传感器，以及电、光和声形式之间的信号转换——但它们如何在同一材料中保持两种相反的电极化仍然是一个谜。
现在，由密歇根大学工程师领导的团队发现了这种称为纤锌矿铁电氮化物的材料不会自行撕裂的原因。
“纤锌矿铁电氮化物最近被发现，在存储电子学、射频电子学、声电子学、微机电系统 (MEMS) 和量子光子学等领域有着广泛的应用。但铁电开关和电荷补偿的基本机制仍然难以捉摸，”Pallab K. Bhattacharya 学院工程教授、《自然》杂志上该研究的共同通讯作者 Zetian Mi 说道。 .
电极化有点像磁力，但条形磁铁有北极和南极，而电极化材料有正极和负极。新的半导体一开始可能会朝一个方向极化。暴露在电场中可以改变材料的极化——正极变成负极，反之亦然——一旦电场关闭，相反的极化仍然存在。
但通常情况下，并不是整个材料都会改变极化。相反，它分为原始极化和反向极化两个域。在这些域相遇的地方，尤其是两个正端相遇的地方，研究人员不明白为什么排斥力没有在材料中产生物理断裂。
“原则上，极化不连续性并不稳定，”密歇根大学电气与计算机工程博士后研究员、该研究的共同通讯作者 Danhao Wang 说。 “这些界面具有以前从未观察到的独特原子排列。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中的导电沟道。”
通过 Mi 团队领导的实验研究和密歇根大学材料科学与工程学教授 Emmanouil Kioupakis 团队领导的理论计算，该团队发现材料中存在原子级断裂，但这种断裂产生了将其粘合在一起的胶水。
在两个正端相交的水平接缝处，晶体结构断裂，产生一堆悬空键。这些键包含带负电的电子，可以完美平衡半导体内每个域边缘的多余正电荷。
“这是一个简单而优雅的结果——突然的极化变化通常会产生有害的缺陷，但在这种情况下，由此产生的断裂键恰恰提供了稳定材料所需的电荷，”Kioupakis 说，他也是 Karl F. 和 Patricia J. Betz 家庭教员学者，也是该研究的共同通讯作者。
“值得注意的是，这种电荷取消不仅仅是一次幸运的意外——它是四面体几何形状的直接结果，”他说。 “这使其成为所有四面体铁电体中的通用稳定机制——一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。”
研究小组通过电子显微镜发现了这一点，揭示了他们使用的特定半导体氮化钪镓的原子结构。在磁畴相遇的地方，通常的六方晶体结构在几个原子层上弯曲，形成断裂的键。显微镜显示各层比正常情况更紧密，但需要密度泛函理论计算来揭示悬挂键结构。
除了将材料固定在一起之外，悬空键中的电子还为沿着接头的电力创建了一条可调节的超级高速公路，其载流子数量比普通氮化镓晶体管多约 100 倍。这条高速公路可以关闭和打开，在材料内移动，并通过反转、移动、加强或减弱设置极化的电场来增强或减弱导电性。
该团队立即意识到其作为场效应晶体管的潜力，可以支持高电流，适用于高功率和高频电子产品。这就是他们下一步计划建造的。
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