下一代晶體管候選，或?yàn)槿斯ぶ悄軒砀锩宰兓?/h1>
密歇根州立大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程教授、該研究的合著者米澤天博士說，“這將使超高效、超低功耗、與主流半導(dǎo)體完全集成的設(shè)備得以實(shí)現(xiàn)?！边@對(duì)未來的人工智能和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備將非常重要。
在這項(xiàng)研究中，研究人員成功地使用了一種名為分子束外延的方法，從而改進(jìn)了同一研究團(tuán)隊(duì)之前關(guān)于半導(dǎo)體鐵電行為的研究。這種新方法通常用于制造半導(dǎo)體晶體，為DVD和CD層中的激光供電，使該團(tuán)隊(duì)能夠制造出只有5納米厚的晶體，這是迄今為止完成的最小的晶體。
這項(xiàng)研究的第一作者、電氣和計(jì)算機(jī)工程研究科學(xué)家丁望博士說，“通過減小厚度，我們證明了降低操作電壓的可能性很高?！边@意味著我們可以減小設(shè)備的尺寸，降低運(yùn)行過程中的功耗。
在實(shí)現(xiàn)較小尺寸的同時(shí)，研究人員還能夠在較小規(guī)模下推動(dòng)其生產(chǎn)能力的界限，同時(shí)檢查材料的性質(zhì)。由于其非典型的聲學(xué)和光學(xué)特性，這也可能擴(kuò)大量子技術(shù)的使用潛力。
鐵電半導(dǎo)體的出現(xiàn)
在過去的幾十年里，硅一直是半導(dǎo)體行業(yè)的主導(dǎo)材料，推動(dòng)了各種電子設(shè)備的發(fā)展。然而，隨著我們不斷推動(dòng)器件小型化和性能的極限，硅基晶體管的局限性變得更加明顯。這促使研究人員和行業(yè)專家探索可能優(yōu)于硅并提供新功能的替代材料和技術(shù)。
鐵電半導(dǎo)體已成為尋找新材料的有前途的候選者。它們具有獨(dú)特的特性，例如維持和切換電極化的能力，可以利用這些特性來創(chuàng)造更多功能、節(jié)能和緊湊的電子設(shè)備。全球多個(gè)研究小組和公司一直致力于鐵電半導(dǎo)體器件的開發(fā)，旨在克服與材料合成、集成和縮放相關(guān)的挑戰(zhàn)。
該領(lǐng)域的顯著進(jìn)步包括基于氧化鉿的鐵電材料的引入，該材料在非易失性存儲(chǔ)器應(yīng)用中顯示出潛力，以及對(duì)用于各種電子和自旋電子設(shè)備的復(fù)合氧化物材料的持續(xù)探索。密歇根大學(xué)研究人員在鐵電半導(dǎo)體 HEMT 方面開展的工作（如本文詳述）代表了在追求更小、更高效和可重構(gòu)電子設(shè)備方面又向前邁出了重要一步。
隨著對(duì)高性能、節(jié)能和小型化電子設(shè)備的需求不斷增長(zhǎng)，對(duì)創(chuàng)新材料和設(shè)計(jì)方法的需求也在不斷增長(zhǎng)。鐵電半導(dǎo)體的發(fā)展及其在人工智能和物聯(lián)網(wǎng)計(jì)算系統(tǒng)、放大器、非易失性存儲(chǔ)設(shè)備、可重構(gòu)功率設(shè)備、負(fù)電容晶體管和射頻設(shè)備等各種應(yīng)用中的集成展示了這種新興技術(shù)的潛力。
雖然其中許多進(jìn)展仍處于研究階段，但鐵電半導(dǎo)體的商業(yè)潛力正變得越來越明顯。密歇根大學(xué)研究人員申請(qǐng)專利保護(hù)的決定證明了他們對(duì)該技術(shù)未來應(yīng)用的信心。隨著更多突破的取得，以及基于鐵電半導(dǎo)體材料的新設(shè)備的開發(fā)，我們可以期待看到這些先進(jìn)材料對(duì)電子行業(yè)的影響越來越大，應(yīng)用范圍也越來越廣。
使用鐵電半導(dǎo)體的選擇
研究人員選擇使用鐵電半導(dǎo)體材料而不是傳統(tǒng)的硅基架構(gòu)，因?yàn)樗鼈兛梢暂p松維持電極化。維持這種極化的能力意味著極化可以切換正端和負(fù)端。這種現(xiàn)象為基于晶體管的設(shè)備提供了更靈活的設(shè)計(jì)架構(gòu)，因?yàn)榫w管可以改變其行為方式以執(zhí)行不同的功能。
將鐵電域添加到 HEMT 中還可以使這種開關(guān)功能更快、更高效。偏振態(tài)之間更快的切換速度提供了一種創(chuàng)建具有更低功耗、更高增益和更高整體效率水平的設(shè)備的方法。使用鐵電材料的另一個(gè)好處是它使 HEMT 能夠重新配置。
通過構(gòu)建可重構(gòu)的 HEMT 器件，它允許該器件執(zhí)行與多個(gè)器件相同的功能。這就是研究人員之前研究這些鐵電體用于小型計(jì)算應(yīng)用的原因，因?yàn)閯?chuàng)建多功能設(shè)備的能力意味著需要將更少的組件集成到芯片上，從而減小其尺寸。
最近研究的重點(diǎn)是在放大器中使用鐵電材料——一個(gè)放大器可以執(zhí)行與其他幾個(gè)放大器相同的功能——再次，尺寸考慮是推動(dòng)將材料用作多用途放大器的關(guān)鍵部分功能放大器提供了一種減少所需電路面積和降低設(shè)備能耗的方法。
新型 HEMT 器件的制造
Wang 等人發(fā)表在Applied Physics Letters雜志上 的論文披露，他們已經(jīng)使用分子束外延來制造高電子遷移率晶體管（HEMT）。鐵電半導(dǎo)體是一種化學(xué)式為 ScAlN 的材料，它是一種摻有鈧的氮化鋁材料，它已經(jīng)顯示出高 k 和鐵電柵極介電特性，可以提高性能并為器件提供新功能。該材料也是第一種基于氮化物的鐵電半導(dǎo)體材料，與氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體材料兼容。
GaN 是近年來廣受歡迎的另一種材料，由于其高效率和低成本，已成為電子設(shè)備中替代硅的材料之一。它與 ScAlN 的相容性為研究人員提供了使用這兩種材料創(chuàng)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)。研究人員創(chuàng)建的異質(zhì)結(jié)構(gòu)是基于 ScAlN/AlGaN/GaN 的鐵電異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
雖然傳統(tǒng)晶體管是電路中的基本電子開關(guān)，但研究人員開發(fā)的 HEMT 具有更多功能，因?yàn)樗鼈兛梢栽黾釉鲆妫ㄐ盘?hào)），提供高開關(guān)速度，并且比傳統(tǒng)晶體管具有更低的噪聲。這些特性，尤其是增益潛力的增加，為這些 HEMT 設(shè)備打開了大門，這些 HEMT 設(shè)備被用作放大器設(shè)備，可用于向手機(jī)信號(hào)塔和 Wi-Fi 路由器發(fā)送高速信號(hào)。關(guān)于其性能，HEMT 顯示出 3.8 V 的寬閾值電壓調(diào)諧范圍和 3 × 107 的大開/關(guān)比，表明該器件具有快速開關(guān)能力。
研究人員還表示，最新研究中進(jìn)行的研究為鐵電氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的鐵電極化耦合和閾值調(diào)諧過程提供了一些見解，并為制造有助于縮小一系列電子設(shè)備的多功能設(shè)備打開了一些新的大門.
結(jié)論
雖然這里的重點(diǎn)是放大器，但仍有可能在一系列設(shè)備中利用這些鐵電氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括非易失性存儲(chǔ)設(shè)備、可重構(gòu)功率設(shè)備、負(fù)電容晶體管和射頻設(shè)備。這種新型晶體管的實(shí)現(xiàn)還開啟了將多功能設(shè)備集成到電子系統(tǒng)中的可能性，其中設(shè)備可以在單個(gè)平臺(tái)上執(zhí)行多個(gè)組件的功能，例如可重構(gòu)晶體管、濾波器和諧振器。雖然這項(xiàng)研究仍處于學(xué)術(shù)水平，但研究人員對(duì)這些設(shè)備的商業(yè)潛力充滿信心，因此他們已經(jīng)申請(qǐng)了專利保護(hù)，因此看看這些多功能系統(tǒng)是否能超越學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室將是一件有趣的事情。
