Undersøgelse afslører en vej til høj hulmobilitet i galliumnitrid

Galliumnitrid (GaN) er et materiale, der ofte bruges til at bygge halvledereffektenheder og lysemitterende dioder (LED'er). I fortiden, forskere har undersøgt muligheden for at realisere GaN p-kanal transistorer, som kunne hjælpe med udviklingen af ​​bedre ydende computere.

Fremstilling af denne type transistor, imidlertid, har indtil videre vist sig at være meget udfordrende. En nøgleårsag til dette er GaNs lave hulmobilitet, hvilket i bund og grund betyder, at "huller" (dvs. manglende elektroner i materialet) bevæger sig for langsomt gennem halvlederen, når der påføres et elektrisk felt på den.

Forskere ved Oxford University og Cornell University har for nylig udført en undersøgelse, der undersøger den iboende phonon-begrænsede mobilitet af elektroner og huller i wurtzite GaN. Deres observationer, beskrevet i et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , tyder på, at hulmobiliteten af ​​GaN kan øges ved at vende tegnet på krystalfeltopdelingen, at løfte de opsplittede hultilstande over lette og tunge huller.

"Vi arbejdede på at udvikle beregningsværktøjer til at forudsige mobiliteten af ​​halvledende materialer med udgangspunkt i kvantemekanikkens grundlæggende ligninger og ved hjælp af højtydende computere, " Feliciano Giustino, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org.

I fysik, mobiliteten af ​​ladningsbærere (fx elektroner og huller), definerer den hastighed, hvormed disse partikler kan bevæge sig, når en spændingsforskel er sat op mellem de to ender af en halvleder. Mobilitet er en nøgleparameter, som forskere skal overveje, når de designer elektroniske og optoelektroniske enheder, herunder transistorer, der bruges til at fremstille mikroprocessorer til smartphones.

"Et af hovedproblemerne inden for højeffektelektronik og trådløs kommunikation er, at det mest udbredte materiale, galliumnitrid (GaN), har en meget høj elektronmobilitet, men en meget dårlig hulmobilitet, " forklarede Giustino. "Som en konsekvens af denne asymmetri, det er i øjeblikket ikke muligt at bruge GaN i det mest fundamentale kredsløbselement af moderne elektronik, den komplementære metal-oxid-halvleder-felteffekttransistor (CMOS). I vores forskning, vi brugte supercomputere til at designe modificerede GaN-materialer med forbedret hulmobilitet."

For at udføre deres forskning, Giustino og hans kolleger brugte meget præcise computersimuleringer af materialer, hvor hvert atom er beskrevet i henhold til kvantemekanikkens grundlæggende love. Den teoretiske formalisme, der ligger til grund for deres undersøgelser, er baseret på tæthedsfunktionel teori (DFT) og udnytter generelle begreber inden for statistisk mekanik, såsom Boltzmann-ligningen. Ved at kombinere disse teorier med massivt parallelle supercomputere, forskerne er i stand til at forudsige halvlederes mobilitet med ekstrem høj nøjagtighed.

"I vores tilgang bruger vi ingen empiriske parametre, vi angiver kun atomarten i materialet (i dette tilfælde gallium og nitrogen), " forklarede Giustino. "Metodologien er implementeret i vores open source softwareprojekt EPW, som er tilgængelig for alle."

Studiet udført af Dr. Samuel Poncé, Prof. Debdeep Jena, og prof. Giustino samlede flere interessante observationer. For det første, forskerne opdagede, at ved at påføre en biaksial trækbelastning på 2 procent til GaN-film, der er cirka 10-30 nm i tykkelse, man kan forbedre halvlederens hulmobilitet med næsten 250 procent.

"Denne forbedring er nok til at muliggøre realiseringen af ​​GaN-baserede komplementære metal-oxid-halvledere (CMOS'er), noget, der har været uhåndgribeligt indtil nu, " sagde Giustino. "På et mere grundlæggende niveau, den effekt, vi opdagede, som vi kaldte 'vending af krystalfeltopdeling, ' er meget spændende, fordi det er resultatet af en lille genbestilling af kvantetilstande i GaN under belastning."

I fremtiden, observationerne indsamlet af dette hold af forskere kunne bane vejen for fremstillingen af ​​GaN-baserede CMOS-transistorer. Prof. Giustino, som for nylig flyttede til University of Texas i Austin, hvor han har Moncrief-stolen for Quantum Materials Engineering, fortæller os, at næste skridt vil være at udføre en proof-of-concept eksperimentel realisering af den vendende effekt, der er observeret i dette nylige arbejde.

"Vores samarbejdspartner og medforfatter prof. Jena fra Cornell University er førende inden for design og fremstilling af nitridmaterialer og -enheder, og hans gruppe forsøger at fremstille GaN-prøver med høj mobilitet, " sagde Giustino.

© 2019 Science X Network