Microelectrónica avanzada:cómo los semiconductores de próxima generación se mantienen intactos bajo tensión

Electrónica y sensores INSIDER

Zetian Mi (izquierda) analiza la investigación con los miembros del grupo Samuel Yang, Danhao Wang y Jiangnan Liu (derecha) junto a la epitaxia de haz molecular (MBE) utilizada para hacer crecer las finas capas de nitruros ferroeléctricos utilizados en el estudio. El equipo descubrió por qué estos materiales no se rompen cuando soportan dos campos eléctricos opuestos. (Imagen:Marcin Szczepanski/Michigan Engineering)

El mecanismo que mantiene unidos los nuevos semiconductores ferroeléctricos produce una vía conductora que podría permitir la creación de transistores de alta potencia. Una nueva clase de semiconductores que puede almacenar información en campos eléctricos podría permitir computadoras que funcionen con menos energía, sensores con precisión cuántica y la conversión de señales entre formas eléctricas, ópticas y acústicas, pero era un misterio cómo mantenían dos polarizaciones eléctricas opuestas en el mismo material.

Ahora, un equipo dirigido por ingenieros de la Universidad de Michigan ha descubierto la razón por la que los materiales, llamados nitruros ferroeléctricos de wurtzita, no se desgarran por sí solos.

"Los nitruros ferroeléctricos de wurtzita se descubrieron recientemente y tienen una amplia gama de aplicaciones en electrónica de memoria, electrónica de RF, acústica-electrónica, sistemas microelectromecánicos (MEMS) y fotónica cuántica, por nombrar sólo algunos. Pero el mecanismo subyacente de conmutación ferroeléctrica y compensación de carga sigue siendo difícil de alcanzar", dijo Zetian Mi, profesor colegiado de ingeniería de Pallab K. Bhattacharya y coautor correspondiente del estudio en Naturaleza .

La polarización eléctrica es un poco como el magnetismo, pero mientras que una barra magnética tiene un extremo norte y un extremo sur, un material eléctricamente polarizado tiene un extremo positivo y negativo. Los nuevos semiconductores pueden empezar polarizados en una dirección. La exposición a un campo eléctrico puede cambiar la polarización del material (el extremo positivo se vuelve negativo y viceversa) y una vez que el campo eléctrico se apaga, la polarización invertida permanece.

Pero a menudo no es todo el material el que cambia la polarización. En cambio, se divide en dominios de polarización original y polarización invertida. Donde estos dominios se encuentran, y especialmente donde se unen dos extremos positivos, los investigadores no entendieron por qué la repulsión no creaba una ruptura física en el material.

"En principio, la discontinuidad de polarización no es estable", dijo Danhao Wang, investigador postdoctoral de la UM en ingeniería eléctrica e informática y coautor correspondiente del estudio. "Esas interfaces tienen una disposición atómica única que nunca antes se había observado. Y lo que es aún más interesante, observamos que esta estructura puede ser adecuada para canales conductores en futuros transistores".

Con estudios experimentales dirigidos por el equipo de Mi y cálculos teóricos dirigidos por el grupo de Emmanouil Kioupakis, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la UM, el equipo descubrió que hay una ruptura a escala atómica en el material, pero esa ruptura crea el pegamento que lo mantiene unido.

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

"Es un resultado simple y elegante:un cambio abrupto de polarización normalmente crearía defectos dañinos, pero en este caso, los enlaces rotos resultantes proporcionan precisamente la carga necesaria para estabilizar el material", dijo Kioupakis, también becario de la facultad de la familia Karl F. y Patricia J. Betz y coautor correspondiente del estudio.

"Lo que es notable es que esta cancelación de carga no es sólo un accidente afortunado:es una consecuencia directa de la geometría de los tetraedros", dijo. "Esto lo convierte en un mecanismo estabilizador universal en todos los ferroeléctricos tetraédricos, una clase de materiales que está ganando rápidamente atención por su potencial en dispositivos microelectrónicos de próxima generación".

El equipo descubrió esto con microscopía electrónica que reveló la estructura atómica del semiconductor particular que utilizaron, el nitruro de escandio y galio. Donde los dominios se encontraban, la habitual estructura cristalina hexagonal se combaba sobre varias capas atómicas, creando los enlaces rotos. La microscopía mostró que las capas estaban más juntas de lo normal, pero se necesitaron cálculos de la teoría funcional de la densidad para revelar la estructura de enlace colgante.

Además de mantener unido el material, los electrones en los enlaces colgantes crean una superautopista ajustable para la electricidad a lo largo de la unión, con aproximadamente 100 veces más portadores de carga que en un transistor de nitruro de galio normal. Esa autopista se puede encender y apagar, moverse dentro del material y volverse más o menos conductora invirtiendo, moviendo, fortaleciendo o debilitando el campo eléctrico que establece la polarización.

El equipo se dio cuenta inmediatamente de su potencial como transistor de efecto de campo que podía soportar altas corrientes, bueno para electrónica de alta potencia y alta frecuencia. Esto es lo que planean construir a continuación.

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