Microélectronique avancée :comment les semi-conducteurs de nouvelle génération restent intacts sous contrainte

Electronique et capteurs INSIDER

Zetian Mi (à gauche) discute de la recherche avec les membres du groupe Samuel Yang, Danhao Wang et Jiangnan Liu (à droite) à côté de l'épitaxie par jet moléculaire (MBE) utilisée pour faire croître les fines couches de nitrures ferroélectriques utilisées dans l'étude. L'équipe a découvert pourquoi ces matériaux ne se brisent pas lorsqu'ils supportent deux champs électriques opposés. (Image :Marcin Szczepanski/Michigan Engineering)

Le mécanisme qui maintient ensemble les nouveaux semi-conducteurs ferroélectriques produit un chemin conducteur qui pourrait permettre la création de transistors de haute puissance. Une nouvelle classe de semi-conducteurs capables de stocker des informations dans des champs électriques pourrait permettre des ordinateurs fonctionnant avec moins d'énergie, des capteurs avec une précision quantique et la conversion de signaux entre des formes électriques, optiques et acoustiques - mais comment ils maintenaient deux polarisations électriques opposées dans le même matériau était un mystère.

Aujourd'hui, une équipe dirigée par des ingénieurs de l'Université du Michigan a découvert la raison pour laquelle ces matériaux, appelés nitrures ferroélectriques de wurtzite, ne se déchirent pas.

"Les nitrures ferroélectriques de wurtzite ont été récemment découverts et ont un large éventail d'applications dans l'électronique de mémoire, l'électronique RF, l'acousto-électronique, les systèmes microélectromécaniques (MEMS) et la photonique quantique, pour n'en nommer que quelques-uns. Mais le mécanisme sous-jacent de la commutation ferroélectrique et de la compensation de charge est resté insaisissable", a déclaré Zetian Mi, professeur collégial d'ingénierie Pallab K. Bhattacharya et auteur co-correspondant de l'étude dans Nature .

La polarisation électrique est un peu comme le magnétisme, mais alors qu'un barreau magnétique a une extrémité nord et sud, un matériau polarisé électriquement a une extrémité positive et négative. Les nouveaux semi-conducteurs pourraient commencer par être polarisés dans une direction. L'exposition à un champ électrique peut changer la polarisation du matériau — l'extrémité positive devient négative et vice versa — et une fois le champ électrique éteint, la polarisation inversée demeure.

Mais souvent, ce n’est pas l’ensemble du matériau qui change la polarisation. Au lieu de cela, il est divisé en domaines de polarisation originale et de polarisation inversée. Là où ces domaines se rencontrent, et surtout là où deux fins positives se rejoignent, les chercheurs n’ont pas compris pourquoi la répulsion n’a pas créé de rupture physique dans le matériau.

"En principe, la discontinuité de polarisation n'est pas stable", a déclaré Danhao Wang, chercheur postdoctoral à l'UM en génie électrique et informatique et auteur co-correspondant de l'étude. "Ces interfaces ont un agencement atomique unique qui n'a jamais été observé auparavant. Et plus intéressant encore, nous avons observé que cette structure pourrait convenir aux canaux conducteurs des futurs transistors. "

Grâce à des études expérimentales menées par l'équipe de Mi et à des calculs théoriques menés par le groupe d'Emmanouil Kioupakis, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UM, l'équipe a découvert qu'il existe une rupture à l'échelle atomique dans le matériau, mais que cette rupture crée la colle qui le maintient ensemble.

Au niveau du joint horizontal, là où les deux extrémités positives se rencontrent, la structure cristalline est fracturée, créant un ensemble de liaisons pendantes. Ces liaisons contiennent des électrons chargés négativement qui équilibrent parfaitement l'excès de charge positive aux limites de chaque domaine du semi-conducteur.

"C'est un résultat simple et élégant :un changement brusque de polarisation créerait généralement des défauts nocifs, mais dans ce cas, les liaisons rompues qui en résultent fournissent précisément la charge nécessaire pour stabiliser le matériau", a déclaré Kioupakis, également chercheur de la famille Karl F. et Patricia J. Betz et co-auteur de l'étude.

"Ce qui est remarquable, c'est que cette annulation de charge n'est pas seulement un heureux hasard :c'est une conséquence directe de la géométrie des tétraèdres", a-t-il déclaré. "Cela en fait un mécanisme de stabilisation universel dans tous les ferroélectriques tétraédriques, une classe de matériaux qui attire rapidement l'attention en raison de son potentiel dans les dispositifs microélectroniques de nouvelle génération."

L’équipe a découvert cela grâce à la microscopie électronique qui a révélé la structure atomique du semi-conducteur particulier utilisé, le nitrure de scandium et de gallium. Là où les domaines se rencontraient, la structure cristalline hexagonale habituelle était déformée sur plusieurs couches atomiques, créant des liaisons rompues. La microscopie a montré que les couches étaient plus rapprochées que la normale, mais des calculs de théorie fonctionnelle de la densité étaient nécessaires pour révéler la structure de liaison pendante.

En plus de maintenir le matériau ensemble, les électrons dans les liaisons pendantes créent une autoroute réglable pour l'électricité le long de la jointure, avec environ 100 fois plus de porteurs de charge que dans un transistor au nitrure de gallium normal. Cette autoroute peut être activée et désactivée, déplacée à l'intérieur du matériau et rendue plus ou moins conductrice en inversant, en déplaçant, en renforçant ou en affaiblissant le champ électrique qui définit la polarisation.

L’équipe a immédiatement réalisé son potentiel en tant que transistor à effet de champ capable de supporter des courants élevés, idéal pour l’électronique haute puissance et haute fréquence. C'est ce qu'ils prévoient de construire ensuite.

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