在最近發表在《應用物理快報》上的一項研究中，密歇根大學(U-M)的一組研究人員建造了一種厚度僅為5納米的鐵電半導體，相當于50個原子，試圖最終將這項技術與智能手機和計算機中使用的傳統組件相結合，同時擴展人工智能(AI)和傳感技術，并可能產生對物聯網(IoT)至關重要的無電池設備，如智能家居和工業安全系統。

密歇根州立大學電氣和計算機工程教授、該研究的合著者米澤天博士說，“這將使超高效、超低功耗、與主流半導體完全集成的設備得以實現。”這對未來的人工智能和物聯網相關設備將非常重要。

在這項研究中，研究人員成功地使用了一種名為分子束外延的方法，從而改進了同一研究團隊之前關于半導體鐵電行為的研究。這種新方法通常用于制造半導體晶體，為DVD和CD層中的激光供電，使該團隊能夠制造出只有5納米厚的晶體，這是迄今為止完成的最小的晶體。

這項研究的第一作者、電氣和計算機工程研究科學家丁望博士說，“通過減小厚度，我們證明了降低操作電壓的可能性很高。”這意味著我們可以減小設備的尺寸，降低運行過程中的功耗。

在實現較小尺寸的同時，研究人員還能夠在較小規模下推動其生產能力的界限，同時檢查材料的性質。由于其非典型的聲學和光學特性，這也可能擴大量子技術的使用潛力。

鐵電半導體的出現

在過去的幾十年里，硅一直是半導體行業的主導材料，推動了各種電子設備的發展。然而，隨著我們不斷推動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專家探索可能優于硅并提供新功能的替代材料和技術。

鐵電半導體已成為尋找新材料的有前途的候選者。它們具有獨特的特性，例如維持和切換電極化的能力，可以利用這些特性來創造更多功能、節能和緊湊的電子設備。全球多個研究小組和公司一直致力于鐵電半導體器件的開發，旨在克服與材料合成、集成和縮放相關的挑戰。

該領域的顯著進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器應用中顯示出潛力，以及對用于各種電子和自旋電子設備的復合氧化物材料的持續探索。密歇根大學研究人員在鐵電半導體 HEMT 方面開展的工作（如本文詳述）代表了在追求更小、更高效和可重構電子設備方面又向前邁出了重要一步。

隨著對高性能、節能和小型化電子設備的需求不斷增長，對創新材料和設計方法的需求也在不斷增長。鐵電半導體的發展及其在人工智能和物聯網計算系統、放大器、非易失性存儲設備、可重構功率設備、負電容晶體管和射頻設備等各種應用中的集成展示了這種新興技術的潛力。

雖然其中許多進展仍處于研究階段，但鐵電半導體的商業潛力正變得越來越明顯。密歇根大學研究人員申請專利保護的決定證明了他們對該技術未來應用的信心。隨著更多突破的取得，以及基于鐵電半導體材料的新設備的開發，我們可以期待看到這些先進材料對電子行業的影響越來越大，應用范圍也越來越廣。

使用鐵電半導體的選擇

研究人員選擇使用鐵電半導體材料而不是傳統的硅基架構，因為它們可以輕松維持電極化。維持這種極化的能力意味著極化可以切換正端和負端。這種現象為基于晶體管的設備提供了更靈活的設計架構，因為晶體管可以改變其行為方式以執行不同的功能。

將鐵電域添加到 HEMT 中還可以使這種開關功能更快、更高效。偏振態之間更快的切換速度提供了一種創建具有更低功耗、更高增益和更高整體效率水平的設備的方法。使用鐵電材料的另一個好處是它使 HEMT 能夠重新配置。

通過構建可重構的 HEMT 器件，它允許該器件執行與多個器件相同的功能。這就是研究人員之前研究這些鐵電體用于小型計算應用的原因，因為創建多功能設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。

最近研究的重點是在放大器中使用鐵電材料——一個放大器可以執行與其他幾個放大器相同的功能——再次，尺寸考慮是推動將材料用作多用途放大器的關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備能耗的方法。


新型 HEMT 器件的制造

Wang 等人發表在Applied Physics Letters雜志上 的論文披露，他們已經使用分子束外延來制造高電子遷移率晶體管（HEMT）。鐵電半導體是一種化學式為 ScAlN 的材料，它是一種摻有鈧的氮化鋁材料，它已經顯示出高 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體材料，與氮化鎵（GaN）半導體材料兼容。

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建異質結構的機會。研究人員創建的異質結構是基于 ScAlN/AlGaN/GaN 的鐵電異質結構。

雖然傳統晶體管是電路中的基本電子開關，但研究人員開發的 HEMT 具有更多功能，因為它們可以增加增益（信號），提供高開關速度，并且比傳統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 設備打開了大門，這些 HEMT 設備被用作放大器設備，可用于向手機信號塔和 Wi-Fi 路由器發送高速信號。關于其性能，HEMT 顯示出 3.8 V 的寬閾值電壓調諧范圍和 3 × 107 的大開/關比，表明該器件具有快速開關能力。

研究人員還表示，最新研究中進行的研究為鐵電氮化物異質結構中的鐵電極化耦合和閾值調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備的多功能設備打開了一些新的大門.


結論

雖然這里的重點是放大器，但仍有可能在一系列設備中利用這些鐵電氮化物異質結構，包括非易失性存儲設備、可重構功率設備、負電容晶體管和射頻設備。這種新型晶體管的實現還開啟了將多功能設備集成到電子系統中的可能性，其中設備可以在單個平臺上執行多個組件的功能，例如可重構晶體管、濾波器和諧振器。雖然這項研究仍處于學術水平，但研究人員對這些設備的商業潛力充滿信心，因此他們已經申請了專利保護，因此看看這些多功能系統是否能超越學術實驗室將是一件有趣的事情。