Semi-conducteurs ferroélectriques au nitrure pour l’électronique de nouvelle génération

L'aube des semi-conducteurs ferroélectriques au nitrure pour l'électronique de nouvelle génération

Les chercheurs postdoctoraux Ding Wang (à gauche) et Ping Wang (à droite) vérifient la surface d’une plaquette ferroélectrique monocristalline ScAlN développée par épitaxie par faisceau moléculaire. Crédit : Robert Coelius

Pour la première fois, les chercheurs ont réalisé des semi-conducteurs ferroélectriques III-V monocristallins de haute qualité qui peuvent être intégrés dans des plates-formes existantes pour une large gamme d’applications de dispositifs ferroélectriques, électroniques, optoélectroniques et photoniques.

Le semi-conducteur ferroélectrique a été fabriqué à l’aide d’un système d’épitaxie par faisceau moléculaire (MBE), qui est déjà utilisé pour fabriquer des dispositifs traditionnels à base de nitrure.

Leur réalisation ouvre la voie à une nouvelle génération de semi-conducteurs qui offrent des performances post-loi de Moore avec une grande variété d’applications.

« D’un point de vue scientifique, nous étions très enthousiastes à l’idée de travailler là-dessus », a déclaré Zetian Mi, professeur de génie électrique et informatique qui a dirigé la recherche. « Nous voulions voir si nous pouvions créer un semi-conducteur ferroélectrique III-V par MBE, ce qui était considéré comme un grand défi dans la communauté. »

Un semi-conducteur ferroélectrique permet la commutation de la polarisation électrique. Cette qualité est particulièrement prometteuse dans les dispositifs de mémoire microélectronique pour l’informatique neuromorphique et l’intelligence artificielle, où elle peut entraîner des temps de rétention plus longs, des coûts énergétiques inférieurs, une densité d’intégration plus élevée et une robustesse accrue dans des environnements difficiles.

Avec leurs possibilités infinies d’amélioration des dispositifs avec transistors, LED, lasers, photovoltaïque et électronique de puissance, les semi-conducteurs ferroélectriques ont également la capacité d’améliorer la technologie 5G pour les communications mobiles, et sont également explorés pour une utilisation dans la recherche biologique.

Mais pour réussir commercialement, le semi-conducteur ferroélectrique doit être fiable, reproductible et précisément adapté aux besoins de l’application.

Mi dirigeait des recherches sur les semi-conducteurs au nitrure de gallium (GaN) depuis plus d’une décennie. Les semi-conducteurs à base de GaN possèdent des qualités spéciales qui leur permettent d’émettre efficacement de la lumière dans l’ensemble des spectres ultraviolet et visible et de surpasser le silicium dans les dispositifs et systèmes électroniques à haute puissance, haute fréquence et haute température.

Les semi-conducteurs au nitrure pourraient vraiment devenir le matériau du futur en ajoutant la ferroélectricité à leur liste d’attributs.

En 2019, en alliant du scandium au nitrure d’aluminium, l’équipe de recherche expérimentale de Mi a démontré la croissance épitaxiale de la wurtzite monocristalline ScAlN, qui était théoriquement prédite comme un matériau ferroélectrique. Ils n’étaient pas seuls dans cette découverte passionnante, car d’autres chercheurs ont commencé à rapporter le même résultat.

Presque immédiatement, des programmes de financement ont émergé aux États-Unis et à l’étranger pour soutenir la recherche. C’est devenu une course pour voir qui pourrait développer cette classe de semi-conducteurs grâce à un processus compatible avec les dispositifs au nitrure traditionnels, tout en contrôlant avec précision sa polarisation électrique.

Des groupes de recherche ont signalé un certain succès en utilisant un processus appelé dépôt par pulvérisation, qui ne nécessite pas l’environnement à ultra-vide du MBE. Cependant, cette technique conduit à des matériaux polycristallins, qui sont de bien moindre qualité que les matériaux à structure cristalline de wurtzite monophasique.

La percée rapportée par Mi et son équipe de chercheurs postdoctoraux Ping Wang et Ding Wang était de créer des semi-conducteurs ferroélectriques ScAlN de haute qualité, contrôlables et accordables avec une structure cristalline de wurtzite pure, en utilisant le traitement MBE.

La création de nouveaux matériaux par MBE implique d’importants essais et erreurs, car les chercheurs testent différentes substances pour voir comment elles interagissent dans des conditions contrôlées. Les couches individuelles de matériau peuvent n’avoir qu’une épaisseur d’un atome et de nombreuses variables peuvent avoir un impact sur le résultat. Mais une fois que la recette est connue, elle peut être répétée pour la fabrication en grand volume de dispositifs à semi-conducteurs comme les transistors.

Grâce à leur processus unique, l’équipe de Mi a pu contrôler avec précision à la fois les fuites de courant dans les matériaux et leur polarisation électrique. Ils prévoient de pouvoir adapter leurs appareils au régime nanométrique.

L’étude est intitulée « ScAlN ferroélectrique entièrement épitaxié développé par épitaxie par faisceau moléculaire », publiée dans Lettres de physique appliquée.


Mémoire ferroélectrique 3-D compatible CMOS avec une puissance ultrafaible et une vitesse élevée


Plus d’information:
Ping Wang et al, ScAlN ferroélectrique entièrement épitaxié cultivé par épitaxie par faisceau moléculaire, Lettres de physique appliquée (2021). DOI : 10.1063/5.0054539

Fourni par l’Université du Michigan

Citation: Semi-conducteurs ferroélectriques au nitrure pour l’électronique de nouvelle génération (2021, 11 juin) récupéré le 11 juin 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-06-nitride-ferroelectric-semiconductors-next-generation-electronics.html

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