Quando i semiconduttori a base di silicio raggiungono i loro limiti di prestazione, il nitruro di gallio (GaN) sta diventando il prossimo materiale di riferimento per far progredire le tecnologie dei diodi a emissione di luce (LED), transistor ad alta frequenza e dispositivi fotovoltaici. Trattenendo GaN, però, è il suo alto numero di difetti.

Questa degradazione del materiale è dovuta a dislocazioni, quando gli atomi vengono spostati nella struttura del reticolo cristallino. Quando più dislocazioni si muovono contemporaneamente dalla forza di taglio, i legami lungo i piani del reticolo si allungano e alla fine si rompono. Mentre gli atomi si riorganizzano per riformare i loro legami, alcuni aerei rimangono intatti mentre altri si deformano permanentemente, con solo mezzi piani in posizione. Se la forza di taglio è abbastanza grande, la dislocazione finirà lungo il bordo del materiale.

La stratificazione di GaN su substrati di materiali diversi rende il problema molto più grave perché le strutture reticolari in genere non si allineano. Questo è il motivo per cui ampliare la nostra comprensione di come si formano i difetti di GaN a livello atomico potrebbe migliorare le prestazioni dei dispositivi realizzati con questo materiale.

Un team di ricercatori ha compiuto un passo significativo verso questo obiettivo esaminando e determinando sei configurazioni principali del reticolo GaN. Hanno presentato i loro risultati nel Rivista di fisica applicata .

"L'obiettivo è identificare, elaborare e caratterizzare queste dislocazioni per comprendere appieno l'impatto dei difetti nel GaN in modo da poter trovare modi specifici per ottimizzare questo materiale, " disse Joseph Kioseoglou, ricercatore presso l'Università Aristotele di Salonicco e autore dell'articolo.

Ci sono anche problemi intrinseci alle proprietà del GaN che si traducono in effetti indesiderati come cambiamenti di colore nell'emissione di LED a base di GaN. Secondo Kioseoglou, questo potrebbe potenzialmente essere affrontato sfruttando diversi orientamenti di crescita.

I ricercatori hanno utilizzato l'analisi computazionale tramite simulazioni di dinamica molecolare e teoria del funzionale della densità per determinare le proprietà strutturali ed elettroniche delle dislocazioni del bordo basale di tipo a lungo il <1-100> direzione in GaN. Le dislocazioni lungo questa direzione sono comuni negli orientamenti di crescita semipolari.

Lo studio si è basato su tre modelli con diverse configurazioni di base. Il primo consisteva di tre atomi di azoto (N) e un atomo di gallio (Ga) per la polarità Ga; il secondo aveva quattro atomi di N e due atomi di Ga; il terzo conteneva due atomi di N e due atomi associati al nucleo di Ga. I calcoli di dinamica molecolare sono stati eseguiti utilizzando circa 15, 000 atomi per ogni configurazione.

I ricercatori hanno scoperto che le configurazioni di polarità N mostravano significativamente più stati nel bandgap rispetto a quelle di polarità Ga, con le configurazioni polari N che presentano valori di bandgap più piccoli.

"C'è una connessione tra i valori di bandgap più piccoli e il gran numero di stati al loro interno, " ha detto Kioseoglou. "Questi risultati dimostrano potenzialmente il ruolo dell'azoto come uno dei principali fattori che contribuiscono agli effetti correlati alla dislocazione nei dispositivi basati sul GaN".