高度なマイクロエレクトロニクス:次世代半導体がストレス下でも無傷を保つ方法

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研究で使用される強誘電体窒化物の薄層を成長させるために使用される分子線エピタキシー（MBE）の隣で、グループメンバーのSamuel Yang、Danhao Wang、Jiangnan Liu（右）と研究について話し合うZetian Mi（左）。研究チームは、これらの材料が 2 つの反対の電場に耐えるときに分解しない理由を発見しました。 (画像:Marcin Szczepanski/ミシガンエンジニアリング)

新しい強誘電体半導体を保持するメカニズムは、高出力トランジスタを可能にする導電経路を生成します。電場に情報を保存できる新しいクラスの半導体は、より少ない電力で動作するコンピュータ、量子精度のセンサー、電気、光学、音響形式間の信号の変換を可能にする可能性があります。しかし、それらが同じ材料内で 2 つの反対の電気分極をどのように維持するのかは謎でした。

今回、ミシガン大学のエンジニアが率いるチームは、ウルツ鉱型強誘電体窒化物と呼ばれる材料が自らを引き裂かない理由を発見しました。

「ウルツ鉱型強誘電体窒化物は最近発見され、ほんの数例を挙げると、メモリエレクトロニクス、RFエレクトロニクス、音響エレクトロニクス、微小電気機械システム（MEMS）、量子フォトニクスなど幅広い用途があります。しかし、強誘電体スイッチングと電荷補償の基礎となるメカニズムは依然として解明されていません」とパララブ・K・バタチャリヤ大学工学部教授のゼティアン・ミ氏は述べた。 Nature の研究の共同連絡著者 .

電気分極は磁気に似ていますが、棒磁石には N 端と S 端がありますが、電気的に分極した材料にはプラスとマイナスの端があります。新しい半導体は最初は一方向に分極している可能性があります。電場にさらされると、材料の分極が切り替わります (正端が負になり、その逆も同様です)。電場がオフになると、反転した分極が残ります。

しかし多くの場合、偏光を切り替えるのは材料全体ではありません。代わりに、元の分極と逆の分極のドメインに分割されます。これらの領域が交わる場所、特に 2 つのプラスの端が交わる場所では、研究者たちは、反発によって材料に物理的な破壊が生じない理由を理解していませんでした。

「原理的に、分極の不連続性は安定していません」と、電気工学およびコンピュータ工学の U-M 博士研究員であり、この研究の共同責任著者である Danhao Wang 氏は述べています。 「これらの界面は、これまで観察されたことのない独特の原子配列を持っています。そしてさらに興味深いのは、この構造が将来のトランジスタの導電チャネルに適している可能性があることを観察したことです。」

Mi 氏のチームが主導した実験研究と、材料科学および工学の大学教授 Emmanouil Kioupakis のグループが主導した理論計算により、チームは、材料に原子スケールの破損があることを発見しました。しかし、その破損が材料を結合する接着剤を生成します。

2 つの正端が交わる水平方向の接合部では、結晶構造が破壊され、多数のダングリング ボンドが形成されます。これらの結合には、半導体内の各ドメインの端にある過剰な正電荷と完全にバランスをとる、負に帯電した電子が含まれています。

「これはシンプルで洗練された結果です。通常、急激な分極変化は有害な欠陥を生み出しますが、この場合、結果として生じる結合の切断により、材料を安定化するのに必要な電荷が正確に供給されます」と、カール F. ベッツとパトリシア J. ベッツ家族の学部奨学生であり、この研究の共同執筆者でもある Kioupakis 氏は述べています。

「注目すべきことは、この電荷の相殺が単なる幸運な偶然ではなく、四面体の幾何学構造の直接的な結果であるということです」と彼は言いました。 「これにより、これはすべての四面体強誘電体における普遍的な安定化メカニズムになります。この材料は、次世代のマイクロ電子デバイスでの可能性について急速に注目を集めています。」

研究チームは、使用した特定の半導体、窒化スカンジウムガリウムの原子構造を明らかにした電子顕微鏡検査でこれを発見しました。ドメインが接触する場所では、通常の六角形の結晶構造がいくつかの原子層にわたって座屈し、切断された結合が形成されました。顕微鏡検査では、層が通常よりも接近していることが示されましたが、ダングリング ボンド構造を明らかにするには密度汎関数理論の計算が必要でした。

材料を一緒に保持することに加えて、ダングリングボンド内の電子は、通常の窒化ガリウムトランジスタよりも約 100 倍多くの電荷キャリアを備え、接合部に沿って電気のための調整可能なスーパーハイウェイを作成します。このハイウェイは、分極を設定する電界を反転、移動、強化、または弱めることによって、オフにしたりオンにしたり、マテリアル内で移動したり、多かれ少なかれ導電性を高めたりすることができます。

研究チームは、大電流をサポートでき、高電力および高周波エレクトロニクスに適した電界効果トランジスタとしての可能性をすぐに認識しました。これが彼らが次に構築する予定のものです。

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