Microeletrônica avançada:como os semicondutores de última geração permanecem intactos sob estresse

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Zetian Mi (à esquerda) discute a pesquisa com os membros do grupo Samuel Yang, Danhao Wang e Jiangnan Liu (à direita) próximo à epitaxia por feixe molecular (MBE) usada para cultivar as finas camadas de nitretos ferroelétricos usados no estudo. A equipe descobriu por que esses materiais não se quebram quando suportam dois campos elétricos opostos. (Imagem:Marcin Szczepanski/Michigan Engenharia)
O mecanismo que mantém novos semicondutores ferroelétricos juntos produz um caminho condutor que poderia permitir transistores de alta potência. Uma nova classe de semicondutores capazes de armazenar informações em campos elétricos poderia permitir computadores que funcionassem com menos energia, sensores com precisão quântica e a conversão de sinais entre formas elétricas, ópticas e acústicas – mas como eles mantinham duas polarizações elétricas opostas no mesmo material era um mistério.

Agora, uma equipe liderada por engenheiros da Universidade de Michigan descobriu a razão pela qual os materiais, chamados nitretos ferroelétricos de wurtzita, não se desfazem.

"Os nitretos ferroelétricos de wurtzita foram descobertos recentemente e têm uma ampla gama de aplicações em eletrônica de memória, eletrônica de RF, acústica-eletrônica, sistemas microeletromecânicos (MEMS) e fotônica quântica, para citar apenas alguns. Mas o mecanismo subjacente de comutação ferroelétrica e compensação de carga permaneceu indescritível, "disse Zetian Mi, professor colegiado de engenharia Pallab K. Bhattacharya e co-autor correspondente do estudo em Natureza .

A polarização elétrica é um pouco como o magnetismo, mas enquanto uma barra magnética tem uma extremidade norte e uma extremidade sul, um material eletricamente polarizado tem uma extremidade positiva e uma extremidade negativa. Os novos semicondutores podem começar polarizados em uma direção. A exposição a um campo elétrico pode mudar a polarização do material – a extremidade positiva torna-se negativa e vice-versa – e uma vez desligado o campo elétrico, a polarização invertida permanece.

Mas muitas vezes não é todo o material que muda a polarização. Em vez disso, está dividido em domínios da polarização original e da polarização invertida. Onde estes domínios se encontram, e especialmente onde dois extremos positivos se juntam, os investigadores não compreenderam porque é que a repulsão não criou uma ruptura física no material.

“Em princípio, a descontinuidade da polarização não é estável”, disse Danhao Wang, pesquisador de pós-doutorado em engenharia elétrica e de computação da UM e co-autor correspondente do estudo. "Essas interfaces têm um arranjo atômico único que nunca foi observado antes. E ainda mais emocionante, observamos que essa estrutura pode ser adequada para canais condutores em futuros transistores."

Com estudos experimentais liderados pela equipe de Mi e cálculos teóricos liderados pelo grupo de Emmanouil Kioupakis, professor de ciência e engenharia de materiais da U-M, a equipe descobriu que há uma ruptura em escala atômica no material – mas essa ruptura cria a cola que o mantém unido.

Na junta horizontal, onde as duas extremidades positivas se encontram, a estrutura cristalina é fraturada, criando um monte de ligações pendentes. Essas ligações contêm elétrons carregados negativamente que equilibram perfeitamente o excesso de carga positiva na borda de cada domínio do semicondutor.

“É um resultado simples e elegante – uma mudança abrupta de polarização normalmente criaria defeitos prejudiciais, mas, neste caso, as ligações quebradas resultantes fornecem precisamente a carga necessária para estabilizar o material”, disse Kioupakis, também bolsista do corpo docente da família Karl F. e Patricia J. Betz e co-autor correspondente do estudo.

“O que é notável é que este cancelamento de carga não é apenas um acidente de sorte – é uma consequência direta da geometria dos tetraedros”, disse ele. “Isso o torna um mecanismo estabilizador universal em todos os ferroelétricos tetraédricos – uma classe de materiais que está rapidamente ganhando atenção por seu potencial em dispositivos microeletrônicos de próxima geração.”

A equipe descobriu isso com microscopia eletrônica que revelou a estrutura atômica do semicondutor específico que usaram, o nitreto de escândio e gálio. Onde os domínios se encontravam, a estrutura cristalina hexagonal usual foi curvada sobre várias camadas atômicas, criando as ligações quebradas. A microscopia mostrou que as camadas estavam mais próximas umas das outras do que o normal, mas foram necessários cálculos da teoria do funcional da densidade para revelar a estrutura da ligação pendente.

Além de manter o material unido, os elétrons nas ligações pendentes criam uma superestrada ajustável para a eletricidade ao longo da junta, com cerca de 100 vezes mais portadores de carga do que em um transistor normal de nitreto de gálio. Essa rodovia pode ser ligada e desligada, movida dentro do material e tornada mais ou menos condutiva invertendo, movendo, fortalecendo ou enfraquecendo o campo elétrico que define a polarização.

A equipe percebeu imediatamente seu potencial como um transistor de efeito de campo que poderia suportar altas correntes, bom para eletrônicos de alta potência e alta frequência. Isto é o que eles planejam construir a seguir.

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