Mikroelektronika Tingkat Lanjut:Bagaimana Semikonduktor Generasi Berikutnya Tetap Utuh Di Bawah Tekanan

INSIDER Elektronik &Sensor

Zetian Mi (kiri) mendiskusikan penelitian dengan anggota kelompok Samuel Yang, Danhao Wang dan Jiangnan Liu (kanan) di sebelah epitaksi berkas molekul (MBE) yang digunakan untuk menumbuhkan lapisan tipis nitrida feroelektrik yang digunakan dalam penelitian tersebut. Tim menemukan mengapa bahan-bahan ini tidak pecah ketika didukung oleh dua medan listrik yang berlawanan. (Gambar:Marcin Szczepanski/Michigan Engineering)

Mekanisme yang menyatukan semikonduktor feroelektrik baru menghasilkan jalur konduktif yang memungkinkan transistor berdaya tinggi. Semikonduktor kelas baru yang dapat menyimpan informasi dalam medan listrik dapat memungkinkan komputer bekerja dengan daya yang lebih kecil, sensor dengan presisi kuantum, dan konversi sinyal antara bentuk listrik, optik, dan akustik — namun cara mereka mempertahankan dua polarisasi listrik yang berlawanan dalam bahan yang sama masih menjadi misteri.

Kini, tim yang dipimpin oleh para insinyur di Universitas Michigan telah menemukan alasan mengapa bahan tersebut, yang disebut wurtzite feroelectric nitride, tidak dapat terkoyak.

"Nitrida feroelektrik wurtzite baru-baru ini ditemukan dan memiliki beragam aplikasi dalam elektronik memori, elektronik RF, akustik-elektronik, sistem mikroelektromekanis (MEMS), dan fotonik kuantum, dan masih banyak lagi. Namun mekanisme yang mendasari peralihan feroelektrik dan kompensasi muatan masih sulit dipahami," kata Zetian Mi, Profesor Teknik Perguruan Tinggi Pallab K. Bhattacharya dan salah satu penulis studi di Nature .

Polarisasi listrik mirip dengan magnetisme, tetapi meskipun magnet batang memiliki ujung utara dan selatan, bahan yang terpolarisasi secara listrik memiliki ujung positif dan negatif. Semikonduktor baru mungkin mulai terpolarisasi dalam satu arah. Paparan medan listrik dapat mengubah polarisasi material — ujung positif menjadi negatif dan sebaliknya — dan setelah medan listrik dimatikan, polarisasi terbalik tetap ada.

Namun seringkali, bukan keseluruhan material yang mengubah polarisasi. Sebaliknya, ini dibagi menjadi domain polarisasi asli dan polarisasi terbalik. Ketika kedua domain ini bertemu, dan terutama ketika dua ujung positif bertemu, para peneliti tidak memahami mengapa gaya tolak menolak tidak menyebabkan kerusakan fisik pada material tersebut.

“Pada prinsipnya, diskontinuitas polarisasi tidak stabil,” kata Danhao Wang, peneliti pascadoktoral UM di bidang teknik elektro dan komputer dan salah satu penulis studi tersebut. "Antarmuka tersebut memiliki susunan atom unik yang belum pernah diamati sebelumnya. Dan yang lebih menarik lagi, kami mengamati bahwa struktur ini mungkin cocok untuk saluran konduktif pada transistor masa depan."

Melalui studi eksperimental yang dipimpin oleh tim Mi dan kalkulasi teori yang dipimpin oleh kelompok Emmanouil Kioupakis, profesor ilmu dan teknik material di UM, tim tersebut menemukan bahwa ada retakan berskala atom pada material tersebut — namun retakan tersebut menciptakan lem yang menyatukannya.

Pada sambungan horizontal, tempat kedua ujung positif bertemu, struktur kristal retak, sehingga menciptakan sekumpulan ikatan yang menjuntai. Ikatan tersebut mengandung elektron bermuatan negatif yang secara sempurna menyeimbangkan kelebihan muatan positif di tepi setiap domain dalam semikonduktor.

“Ini adalah hasil yang sederhana dan elegan — perubahan polarisasi yang tiba-tiba biasanya akan menghasilkan cacat yang berbahaya, namun dalam kasus ini, ikatan putus yang dihasilkan memberikan muatan yang dibutuhkan untuk menstabilkan material,” kata Kioupakis, yang juga merupakan Sarjana Fakultas Keluarga Karl F. dan Patricia J. Betz dan salah satu penulis studi tersebut.

“Yang luar biasa adalah pembatalan biaya ini bukan sekadar kebetulan – ini adalah konsekuensi langsung dari geometri tetrahedra,” katanya. “Hal ini menjadikannya mekanisme stabilisasi universal di semua feroelektrik tetrahedral — sebuah kelas material yang dengan cepat mendapatkan perhatian karena potensinya dalam perangkat mikroelektronik generasi mendatang.”

Tim menemukan hal ini dengan mikroskop elektron yang mengungkapkan struktur atom semikonduktor tertentu yang mereka gunakan, skandium galium nitrida. Ketika domain bertemu, struktur kristal heksagonal yang biasa tertekuk pada beberapa lapisan atom, menciptakan ikatan yang terputus. Mikroskop menunjukkan bahwa lapisan-lapisan tersebut lebih berdekatan dari biasanya, namun perhitungan teori fungsi kerapatan diperlukan untuk mengungkap struktur ikatan yang menjuntai.

Selain menyatukan material, elektron dalam ikatan yang menjuntai menciptakan jalan raya super yang dapat disesuaikan untuk listrik di sepanjang sambungan, dengan pembawa muatan sekitar 100 kali lebih banyak dibandingkan transistor galium nitrida normal. Jalan raya tersebut dapat dimatikan dan dihidupkan, dipindahkan ke dalam material, dan dibuat lebih atau kurang konduktif dengan membalikkan, memindahkan, memperkuat, atau melemahkan medan listrik yang menyebabkan polarisasi.

Tim segera menyadari potensinya sebagai transistor efek medan yang dapat mendukung arus tinggi, baik untuk elektronik berdaya tinggi dan frekuensi tinggi. Inilah yang rencananya akan mereka bangun selanjutnya.

Sumber