Разрушь, чтобы усилить ток в 100 раз — странный принцип, который перевернёт полупроводниковую индустрию

Учёные из Мичиганского университета раскрыли тайну уникальных полупроводников — нитридных ферроэлектриков с кристаллической структурой вюрцита. Эти материалы способны хранить информацию с помощью электрических полей и не разрушаются при смене полярности, что открывает путь к созданию энергоэффективных компьютеров, сверхточных датчиков и устройств, преобразующих сигналы между электрической, оптической и акустической формами.

Подобно магнитам, такие вещества обладают положительным и отрицательным полюсами. Внутри образца часто возникают области с противоположной поляризацией, способной меняться под воздействием электрического поля и сохраняться после его исчезновения. Долгое время физиков озадачивал вопрос: почему кристалл не разрушается в точках встречи одноимённых зарядов?

Ответ нашли с помощью передовой электронной микроскопии и квантовых вычислений. Детальное изучение нитрида скандия-галлия показало: в местах соприкосновения доменов привычная шестиугольная структура выгибается, создавая особую конфигурацию с разорванными связями. Эти соединения располагаются ближе друг к другу, чем обычно. Природу явления дополнительно подтвердили расчёты теории функционала плотности.

Результат оказался одновременно простым и изящным, — комментирует Эммануил Киупакис, профессор материаловедения и инженерии. — Обычно резкое изменение поляризации создаёт опасные дефекты, но в данном случае возникающие разрывы предоставляют именно тот заряд, который необходим для стабилизации структуры.

Особенно важно, что такая компенсация не случайна, а напрямую связана с тетраэдрической геометрией кристалла. То есть обнаруженный принцип универсален для всех материалов данного класса, которые привлекают всё больше внимания в микроэлектронике нового поколения.

Сфера применения этих соединений поражает разнообразием: от запоминающих устройств и радиочастотной электроники до акустоэлектронных приборов, микроэлектромеханических систем и квантовой фотоники, — поясняет Зетиан Ми, один из руководителей исследования.

Обнаруженные свободные связи не только предотвращают разрушение материала, но и формируют проводящий канал для электричества. По нему может протекать ток в сто раз сильнее, чем в стандартных транзисторах на основе нитрида галлия. Проводимость поддаётся регулировке путём изменения электрического поля, что позволяет точно контролировать движение заряда.

Оценив перспективы создания полевых транзисторов на новой основе, команда приступила к разработке высокомощных электронных компонентов, способных функционировать на чрезвычайно высоких частотах. Экспериментальные образцы изготовили в Центре нанопроизводства Лури, а их испытания провели в Мичиганском центре характеристики материалов.