고급 마이크로 전자공학:차세대 반도체가 스트레스를 받는 상황에서도 그대로 유지되는 방법

전자 및 센서 내부자

Zetian Mi(왼쪽)는 연구에 사용된 강유전성 질화물의 얇은 층을 성장시키는 데 사용된 분자빔 에피택시(MBE) 옆에서 그룹 구성원 Samuel Yang, Danhao Wang 및 Jiangnan Liu(오른쪽)와 연구에 대해 논의하고 있습니다. 연구팀은 이러한 물질이 두 개의 반대되는 전기장을 지탱할 때 왜 분해되지 않는지 발견했습니다. (이미지:Marcin Szczepanski/Michigan Engineering)

새로운 강유전성 반도체를 함께 고정하는 메커니즘은 고전력 트랜지스터를 가능하게 할 수 있는 전도성 경로를 생성합니다. 전기장에 정보를 저장할 수 있는 새로운 종류의 반도체는 더 적은 전력으로 작동하는 컴퓨터, 양자 정밀도를 갖춘 센서, 전기, 광학, 음향 형태 간의 신호 변환을 가능하게 할 수 있습니다. 그러나 동일한 물질에서 두 개의 반대되는 전기 분극을 어떻게 유지했는지는 미스터리입니다.

이제 미시간 대학의 엔지니어들이 이끄는 팀이 우르츠광 강유전성 질화물(wurtzite ferroelectric nitrides)이라고 불리는 물질이 스스로 찢어지지 않는 이유를 발견했습니다.

"우르자이트 강유전성 질화물은 최근에 발견되었으며 메모리 전자공학, RF 전자공학, 음향 전자공학, 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 및 양자 포토닉스 등에서 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 그러나 강유전성 스위칭 및 전하 보상의 기본 메커니즘은 여전히 파악하기 어렵습니다."라고 Pallab K. Bhattacharya 대학 공학 교수이자 이번 연구의 공동 교신 저자인 Zetian Mi가 말했습니다. 자연 .

전기 분극은 자성과 약간 비슷하지만 막대 자석에는 북쪽과 남쪽 끝이 있는 반면, 전기 분극된 물질에는 양극과 음극 끝이 있습니다. 새로운 반도체는 한 방향으로 분극화되어 시작될 수 있습니다. 전기장에 노출되면 재료의 극성이 전환될 수 있습니다. 즉, 양극이 음극이 되고 그 반대도 마찬가지입니다. 일단 전기장이 꺼지면 반대 극성이 유지됩니다.

그러나 종종 편광을 전환하는 것은 전체 재료가 아닙니다. 대신, 원래 편광 영역과 역분극 영역으로 나뉩니다. 이러한 영역이 만나는 곳, 특히 두 개의 긍정적인 끝이 만나는 곳에서 연구자들은 반발이 물질에 물리적인 파손을 일으키지 않는 이유를 이해하지 못했습니다.

"원칙적으로 분극 불연속성은 안정적이지 않습니다"라고 UM 전기 및 컴퓨터 공학 박사후 연구원이자 이번 연구의 공동 교신저자인 Danhao Wang이 말했습니다. "이러한 인터페이스는 이전에 관찰된 적이 없는 독특한 원자 배열을 가지고 있습니다. 더욱 흥미로운 점은 이 구조가 미래 트랜지스터의 전도성 채널에 적합할 수 있다는 점입니다."

Mi 팀이 주도한 실험적 연구와 UM의 재료 과학 및 공학 교수인 Emmanouil Kioupakis 그룹이 주도한 이론 계산을 통해 팀은 재료에 원자 수준의 파손이 있지만 그 파손으로 인해 재료를 서로 결합하는 접착제가 생성된다는 사실을 발견했습니다.

두 개의 양극 끝이 만나는 수평 접합부에서 결정 구조가 부서져 여러 개의 매달린 결합이 생성됩니다. 이러한 결합에는 반도체 내 각 도메인 가장자리의 과잉 양전하 균형을 완벽하게 맞추는 음전하 전자가 포함되어 있습니다.

"이것은 간단하고 명쾌한 결과입니다. 갑작스러운 분극 변화는 일반적으로 유해한 결함을 생성하지만 이 경우 결과적으로 끊어진 결합은 재료를 안정화하는 데 필요한 전하를 정확하게 제공합니다"라고 Karl F. 및 Patricia J. Betz 가족 교수 학자이자 연구의 공동 교신저자인 Kioupakis가 말했습니다.

"놀라운 점은 이번 청구 취소가 단지 운이 좋은 사고가 아니라 사면체 기하학의 직접적인 결과라는 것입니다."라고 그는 말했습니다. "이것은 모든 사면체 강유전체에서 보편적인 안정화 메커니즘이 됩니다. 이 재료는 차세대 마이크로전자 장치에서 잠재력으로 빠르게 주목을 받고 있습니다."

연구팀은 전자현미경을 통해 그들이 사용한 특정 반도체인 질화스칸듐갈륨의 원자 구조를 밝혀냈습니다. 도메인이 만나는 곳에서는 일반적인 육각형 결정 구조가 여러 원자 층에 걸쳐 휘어져 끊어진 결합이 생성됩니다. 현미경 검사 결과 층이 평소보다 서로 더 가까운 것으로 나타났지만 댕글링 결합 구조를 밝히려면 밀도 함수 이론 계산이 필요했습니다.

물질을 함께 묶는 것 외에도 댕글링 본드의 전자는 조인트를 따라 전기를 위한 조정 가능한 초고속도로를 생성하며, 이는 일반 질화 갈륨 트랜지스터보다 약 100배 더 많은 전하 운반체를 갖습니다. 그 고속도로는 꺼졌다 켜졌다 할 수 있고, 물질 내에서 움직일 수 있으며, 분극을 설정하는 전기장을 반전시키고, 움직이고, 강화하거나 약화시킴으로써 어느 정도 전도성을 갖게 될 수 있습니다.

팀은 고전류를 지원할 수 있고 고전력 및 고주파 전자 장치에 적합한 전계 효과 트랜지스터로서의 잠재력을 즉시 깨달았습니다. 이것이 그들이 다음에 만들 계획입니다.

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