Microelectrónica avanzada: Cómo semiconductores de próxima generación se mantienen intactos bajo estrés

Electrónica y Sensores INSIDER

Zetian Mi (izq.) discute investigación con miembros Samuel Yang, Danhao Wang, Jiangnan Liu (der.) junto a epitaxia de haz molecular (MBE) usada para crecer capas finas de nitruros ferroeléctricos usados en estudio. Equipo descubrió por qué estos materiales no se rompen al soportar dos campos eléctricos opuestos. (Imagen: Marcin Szczepanski/Michigan Engineering)

El mecanismo que mantiene unidos nuevos semiconductores ferroeléctricos produce vía conductora que podría permitir transistores de alta potencia. Nueva clase de semiconductores que almacenan información en campos eléctricos podría permitir computadoras que corren con menos energía, sensores con precisión cuántica, y conversión de señales entre formas eléctrica, óptica, acústica —pero cómo mantenían dos polarizaciones eléctricas opuestas en mismo material era misterio.

Ahora, equipo liderado por ingenieros de Universidad de Michigan descubrió por qué materiales, llamados nitruros ferroeléctricos wurtzita, no se desgarran.

«Nitruros ferroeléctricos wurtzita descubiertos recientemente tienen amplio rango de aplicaciones: electrónica de memoria, RF, acústico-electrónica, MEMS, fotónica cuántica, por nombrar algunos. Pero mecanismo subyacente de conmutación ferroeléctrica y compensación de carga permaneció elusivo», dice Zetian Mi, profesor colegiado Pallab K. Bhattacharya y co-autor correspondiente en Nature.

Polarización y dominios

Polarización eléctrica es como magnetismo, pero mientras imán tiene polo norte/sur, material polarizado eléctricamente tiene extremo positivo/negativo. Nuevos semiconductores pueden empezar polarizados en una dirección. Exposición a campo eléctrico invierte polarización —extremo positivo se vuelve negativo y viceversa— y al quitar campo, polarización invertida permanece.

Pero a menudo no es todo el material que cambia polarización. Se divide en dominios de polarización original e invertida. Donde dominios se encuentran, y especialmente donde dos extremos positivos se juntan, investigadores no entendían por qué la repulsión no creaba ruptura física.

«En principio, discontinuidad de polarización no es estable», dice Danhao Wang, postdoc en ingeniería eléctrica y computación en U-M, co-autor correspondiente. «Esas interfaces tienen arreglo atómico único nunca observado. Y más emocionante, observamos que esta estructura puede ser adecuada para canales conductores en futuros transistores».

Descubrimiento: enlaces colgantes como pegamento y autopista conductora

Con estudios experimentales liderados por equipo de Mi y cálculos teóricos por grupo de Emmanouil Kioupakis (profesor ciencia e ingeniería materiales U-M), hallaron que hay ruptura a escala atómica —pero esa ruptura crea el pegamento que mantiene unido.

En junta horizontal donde dos extremos positivos se encuentran, estructura cristalina se fractura, creando montón de enlaces colgantes. Esos enlaces contienen electrones cargados negativamente que equilibran perfectamente carga positiva excesiva en borde de cada dominio dentro del semiconductor.

«Es resultado simple y elegante —cambio abrupto de polarización típicamente crea defectos dañinos, pero aquí enlaces rotos proveen precisamente carga necesaria para estabilizar material», dice Kioupakis, también becario Karl F. y Patricia J. Betz Family Faculty Scholar y co-autor correspondiente.

«Lo notable es que esta cancelación de carga no es accidente afortunado —es consecuencia directa de geometría de tetraedros. Esto lo hace mecanismo estabilizador universal en todos los ferroeléctricos tetraédricos —clase de materiales ganando atención rápida para potencial en dispositivos microelectrónicos de próxima generación».

Evidencia experimental y potencial transistor

Descubrieron esto con microscopía electrónica que reveló estructura atómica de semiconductor usado, nitruro de escandio-galio. Donde dominios se encontraban, estructura hexagonal habitual se abombaba sobre varias capas atómicas, creando enlaces colgantes. Microscopía mostró capas más juntas que normal, pero cálculos de teoría funcional de densidad revelaron estructura de enlaces colgantes.

Además de mantener material unido, electrones en enlaces colgantes crean autopista ajustable para electricidad a lo largo de junta, con ~100 veces más portadores de carga que transistor normal de nitruro de galio. Esa autopista puede encenderse/apagarse, moverse dentro del material, hacerse más/menos conductora invirtiendo, moviendo, fortaleciendo o debilitando campo eléctrico que establece polarización.

Equipo inmediatamente vio potencial como transistor de efecto campo que soportaría altas corrientes, bueno para electrónica alta potencia y alta frecuencia. Eso planean construir next.

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