在最近发表在《应用物理快报》上的一项研究中，密歇根大学(U-M)的一组研究人员建造了一种厚度仅为5纳米的铁电半导体，相当于50个原子，试图最终将这项技术与智能手机和计算机中使用的传统组件相结合，同时扩展人工智能(AI)和传感技术，并可能产生对物联网(IoT)至关重要的无电池设备，如智能家居和工业安全系统。

密歇根州立大学电气和计算机工程教授、该研究的合著者米泽天博士说，“这将使超高效、超低功耗、与主流半导体完全集成的设备得以实现。”这对未来的人工智能和物联网相关设备将非常重要。

在这项研究中，研究人员成功地使用了一种名为分子束外延的方法，从而改进了同一研究团队之前关于半导体铁电行为的研究。这种新方法通常用于制造半导体晶体，为DVD和CD层中的激光供电，使该团队能够制造出只有5纳米厚的晶体，这是迄今为止完成的最小的晶体。

这项研究的第一作者、电气和计算机工程研究科学家丁望博士说，“通过减小厚度，我们证明了降低操作电压的可能性很高。”这意味着我们可以减小设备的尺寸，降低运行过程中的功耗。

在实现较小尺寸的同时，研究人员还能够在较小规模下推动其生产能力的界限，同时检查材料的性质。由于其非典型的声学和光学特性，这也可能扩大量子技术的使用潜力。

铁电半导体的出现

在过去的几十年里，硅一直是半导体行业的主导材料，推动了各种电子设备的发展。然而，随着我们不断推动器件小型化和性能的极限，硅基晶体管的局限性变得更加明显。这促使研究人员和行业专家探索可能优于硅并提供新功能的替代材料和技术。

铁电半导体已成为寻找新材料的有前途的候选者。它们具有独特的特性，例如维持和切换电极化的能力，可以利用这些特性来创造更多功能、节能和紧凑的电子设备。全球多个研究小组和公司一直致力于铁电半导体器件的开发，旨在克服与材料合成、集成和缩放相关的挑战。

该领域的显著进步包括基于氧化铪的铁电材料的引入，该材料在非易失性存储器应用中显示出潜力，以及对用于各种电子和自旋电子设备的复合氧化物材料的持续探索。密歇根大学研究人员在铁电半导体 HEMT 方面开展的工作（如本文详述）代表了在追求更小、更高效和可重构电子设备方面又向前迈出了重要一步。

随着对高性能、节能和小型化电子设备的需求不断增长，对创新材料和设计方法的需求也在不断增长。铁电半导体的发展及其在人工智能和物联网计算系统、放大器、非易失性存储设备、可重构功率设备、负电容晶体管和射频设备等各种应用中的集成展示了这种新兴技术的潜力。

虽然其中许多进展仍处于研究阶段，但铁电半导体的商业潜力正变得越来越明显。密歇根大学研究人员申请专利保护的决定证明了他们对该技术未来应用的信心。随着更多突破的取得，以及基于铁电半导体材料的新设备的开发，我们可以期待看到这些先进材料对电子行业的影响越来越大，应用范围也越来越广。

使用铁电半导体的选择

研究人员选择使用铁电半导体材料而不是传统的硅基架构，因为它们可以轻松维持电极化。维持这种极化的能力意味着极化可以切换正端和负端。这种现象为基于晶体管的设备提供了更灵活的设计架构，因为晶体管可以改变其行为方式以执行不同的功能。

将铁电域添加到 HEMT 中还可以使这种开关功能更快、更高效。偏振态之间更快的切换速度提供了一种创建具有更低功耗、更高增益和更高整体效率水平的设备的方法。使用铁电材料的另一个好处是它使 HEMT 能够重新配置。

通过构建可重构的 HEMT 器件，它允许该器件执行与多个器件相同的功能。这就是研究人员之前研究这些铁电体用于小型计算应用的原因，因为创建多功能设备的能力意味着需要将更少的组件集成到芯片上，从而减小其尺寸。

最近研究的重点是在放大器中使用铁电材料——一个放大器可以执行与其他几个放大器相同的功能——再次，尺寸考虑是推动将材料用作多用途放大器的关键部分功能放大器提供了一种减少所需电路面积和降低设备能耗的方法。

新型 HEMT 器件的制造

Wang 等人发表在Applied Physics Letters杂志上 的论文披露，他们已经使用分子束外延来制造高电子迁移率晶体管（HEMT）。铁电半导体是一种化学式为 ScAlN 的材料，它是一种掺有钪的氮化铝材料，它已经显示出高 k 和铁电栅极介电特性，可以提高性能并为器件提供新功能。该材料也是第一种基于氮化物的铁电半导体材料，与氮化镓（GaN）半导体材料兼容。

GaN 是近年来广受欢迎的另一种材料，由于其高效率和低成本，已成为电子设备中替代硅的材料之一。它与 ScAlN 的相容性为研究人员提供了使用这两种材料创建异质结构的机会。研究人员创建的异质结构是基于 ScAlN/AlGaN/GaN 的铁电异质结构。

虽然传统晶体管是电路中的基本电子开关，但研究人员开发的 HEMT 具有更多功能，因为它们可以增加增益（信号），提供高开关速度，并且比传统晶体管具有更低的噪声。这些特性，尤其是增益潜力的增加，为这些 HEMT 设备打开了大门，这些 HEMT 设备被用作放大器设备，可用于向手机信号塔和 Wi-Fi 路由器发送高速信号。关于其性能，HEMT 显示出 3.8 V 的宽阈值电压调谐范围和 3 × 107 的大开/关比，表明该器件具有快速开关能力。

研究人员还表示，最新研究中进行的研究为铁电氮化物异质结构中的铁电极化耦合和阈值调谐过程提供了一些见解，并为制造有助于缩小一系列电子设备的多功能设备打开了一些新的大门.

结论

虽然这里的重点是放大器，但仍有可能在一系列设备中利用这些铁电氮化物异质结构，包括非易失性存储设备、可重构功率设备、负电容晶体管和射频设备。这种新型晶体管的实现还开启了将多功能设备集成到电子系统中的可能性，其中设备可以在单个平台上执行多个组件的功能，例如可重构晶体管、滤波器和谐振器。虽然这项研究仍处于学术水平，但研究人员对这些设备的商业潜力充满信心，因此他们已经申请了专利保护，因此看看这些多功能系统是否能超越学术实验室将是一件有趣的事情。

文章来源： 冬亦懂你，半导体行业观察