차세대 반도체: 상반된 전기장 견디며 손상되지 않는 강유전체 나이트라이드 메커니즘 규명

전자 및 센서 인사이더

제티안 미(Zetian Mi, 왼쪽) 그룹멤버 사무엘양(Samuel Yang), 단하오왕(Danhao Wang), 장난리우(Jiangnan Liu, 오른쪽) 옆 분자빔에피택시(MBE)서 연구논의, 연구사용 강유전체나이트라이드 얇은층성장. 팀 이 물질들 두반대전기장지지하면서 왜깨지지않는지발견. (이미지: 마르친슈체판스키/미시간엔지니어링)

새강유전체반도체 결합메커니즘 전도경로생성, 고출력트랜지스터가능케함. 전기장에정보저장새반도체클래스: 저전력컴퓨터, 양자정밀도센서, 전기·광·음향신호변환가능 — 하지만 동일물질내두반대전기분극유지메커니즘수수께끼였음.

이제 미시간대학 엔지니어팀 주도 제티안미 팀이 이 물질들 '부르츠자이트강유전체나이트라이드(wurtzite ferroelectric nitrides)' 왜자신들찢어지지않는지이유발견.

"부르츠자이트강유전체나이트라이드 최근발견, 메모리전자, RF전자, 음향전자, 미세전자기계시스템(MEMS), 양자포토닉스등광범위응용. 하지만 강유전체스위칭·전하보상기저메커니즘수수께끼로남아있음," 연구 네이처(Nature) 공동교신저자 제티안미 미시간대 팔라브K.바타차리야공학석좌교수말함.

전기분극: 자석 N/S극처럼 양/음극가지나 도메인경계서반발력파괴않는이유불명

전기분극 자석비슷하지만 자석남북극대신 양음극가짐. 새반도체 한방향분극시작. 전기장노출시 물질분극전환 — 양극→음극, 음극→양극 — 전기장꺼지면 역분극유지.

하지만전체물질분극전환아닌경우많음. 대신원래분극·역분극도메인나눔. 이도메인만나고특히두양극만날때 반발력물리적파단생기지않는이유연구자이해못함.

도메인경계 원자규모파단→대글링본드→음성전하로양성과잉상쇄·물질안정화

"원칙적으로 분극불연속성 불안정," 미시간대 박사후연구원 단하오왕(Danhao Wang) 전기컴퓨터공학 공동교신저자말함. "그인터페이스 이전에관찰된적없는 독특한원자배열가짐. 더흥미롭게 이구조미래트랜지스터전도채널적합할수있음관찰."

미팀실험연구·에마누일키우파키스(Emmanouil Kioupakis) 미시간대 재료과학공학교수이론계산주도 팀발견: 물질원자규모파단존재 — 하지만그파단접착제역할해함께붙잡음.

수평접합부 두양극만나는곳 결정구조골절, 대글링본드(dangling bonds)다수생성. 그본드들 음성전하전자포함 각도메인경계양성과잉전하완벽균형.

"단순우아한결과 — 급격한분극변화일반적해로운결함생성하지만 이경우결과깨진본드정확히필요전하제공 물질안정화," 키우파키스말함. 칼F.패트리샤J.베츠가족교수석좌공동교신저자.

"주목할점: 이전하상쇄단순운좋은우연아님 — 사면체기하학직접결과. 이모든사면체강유전체보편적안정화메커니즘 — 차세대마이크로전자소자잠재력급부상물질클래스."

전자현미경·밀도범함수이론으로 스칸듐갈륨나이트라이드 원자구조규명

팀 전자현미경 사용 특정반도체 스칸듐갈륨나이트라이드 원자구조공개. 도메인만나는곳 평소육방정계결정구조수개원자층벅벅, 대글링본드생성. 현미경층들정상보다가까움보여줌, 밀도범함수이론계산으로 대글링본드구조공개필요.

대글링본드전자들 100배전하캐리어 전도슈퍼하이웨이형성, 전기장으로제어가가능

물질함께잡아주는것외에도 대글링본드전자들 접합부따라전기조절가능슈퍼하이웨이생성, 일반갈륨나이트라이드트랜지스터약 100배전하캐리어. 하이웨이 온오프가능, 물질내이동가능, 전기장역전·이동·강화·약화로 전도도조절가능.

팀즉시 고전류지원 필드이펙트트랜지스터잠재력인지, 고출력·고주파전자공학유용. 다음단계그것구축계획.

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