Ingegneria in campo cristallino della struttura a bande e della mobilità in GaN. (un), (b) Cambiamento nella struttura a bande di quasiparticelle GW di GaN in seguito a dilatazione e compressione biassiali, rispettivamente. I livelli di energia sono stati allineati al minimo della banda di conduzione (CBM) e al massimo della banda di valenza (VBM). (c) Funzione d'onda elettronica al VBM a per la struttura GaN wurtzite non distorta, così come per la dilatazione biassiale del 2% e la compressione biassiale del 2%, rispettivamente. (d) Divisione del campo cristallino Δcf rispetto alla deformazione e (e) corrispondente mobilità del foro di Hall a 300 K. (f) Mobilità prevista del foro dipendente dalla temperatura in wurtzite GaN in funzione della deformazione biassiale. Attestazione:Ponce, Jena &Giustino.
Il nitruro di gallio (GaN) è un materiale spesso utilizzato per costruire dispositivi di potenza a semiconduttore e diodi emettitori di luce (LED). Nel passato, ricercatori hanno esplorato la possibilità di realizzare transistori a canale p GaN, che potrebbe aiutare lo sviluppo di computer più performanti.
Fabbricando questo tipo di transistor, però, si è rivelato finora molto impegnativo. Una ragione chiave per questo è la bassa mobilità del foro di GaN, il che significa essenzialmente che "buchi" (cioè, elettroni mancanti nel materiale) si muovono troppo lentamente attraverso il semiconduttore quando gli viene applicato un campo elettrico.
I ricercatori dell'Università di Oxford e della Cornell University hanno recentemente condotto uno studio che studia la mobilità intrinseca limitata dai fononi di elettroni e lacune nella wurtzite GaN. Le loro osservazioni, delineato in un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , suggeriscono che la mobilità del foro di GaN può essere aumentata invertendo il segno della scissione del campo cristallino, sollevando gli stati del foro scisso al di sopra di fori leggeri e pesanti.
"Stavamo lavorando allo sviluppo di strumenti computazionali per prevedere la mobilità dei materiali semiconduttori partendo dalle equazioni fondamentali della meccanica quantistica e utilizzando computer ad alte prestazioni, "Feliciano Giustino, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org.
In fisica, la mobilità dei portatori di carica (ad esempio elettroni e lacune), definisce la velocità alla quale queste particelle possono muoversi quando si stabilisce una differenza di tensione tra le due estremità di un semiconduttore. La mobilità è un parametro chiave che i ricercatori devono considerare quando progettano dispositivi elettronici e optoelettronici, compresi i transistor utilizzati per fabbricare microprocessori per smartphone.
"Uno dei problemi chiave nell'elettronica ad alta potenza e nelle comunicazioni wireless è che il materiale più utilizzato, nitruro di gallio (GaN), ha una mobilità degli elettroni molto elevata, ma una mobilità del foro molto scarsa, » spiegò Giustino. «Come conseguenza di questa asimmetria, attualmente non è possibile utilizzare GaN nell'elemento circuitale più fondamentale dell'elettronica moderna, il transistor ad effetto di campo complementare metallo-ossido-semiconduttore (CMOS). Nella nostra ricerca, abbiamo usato i supercomputer per progettare materiali GaN modificati con una maggiore mobilità dei fori".
Per svolgere le loro ricerche, Giustino e i suoi colleghi hanno utilizzato simulazioni al computer di materiali estremamente precise, in cui ogni atomo è descritto secondo le leggi fondamentali della meccanica quantistica. Il formalismo teorico alla base delle loro indagini si basa sulla teoria del funzionale densità (DFT) e sfrutta concetti generali di meccanica statistica, come l'equazione di Boltzmann. Combinando queste teorie con supercomputer massicciamente paralleli, i ricercatori sono in grado di prevedere la mobilità dei semiconduttori con un'accuratezza estremamente elevata.
"Nel nostro approccio non utilizziamo parametri empirici, specifichiamo solo le specie atomiche nel materiale (in questo caso gallio e azoto), " ha spiegato Giustino. "La metodologia è implementata nel nostro progetto software open source EPW, che è a disposizione di tutti».
Lo studio condotto dal Dr. Samuel Poncé, Prof. Debdeep Jena, e il prof. Giustino ha raccolto diverse interessanti osservazioni. in primo luogo, i ricercatori hanno scoperto che applicando una tensione biassiale del 2% a film di GaN che hanno uno spessore di circa 10-30 nm, si può migliorare la mobilità del foro del semiconduttore di quasi il 250 percento.
"Questo miglioramento è sufficiente per consentire la realizzazione di semiconduttori a ossido di metallo complementari (CMOS) a base di GaN, qualcosa che è rimasto inafferrabile fino ad ora, " ha detto Giustino. "A un livello più fondamentale, l'effetto che abbiamo scoperto, che abbiamo chiamato 'inversione della scissione del campo cristallino, ' è molto intrigante perché risulta da un piccolo riordino degli stati quantistici in GaN sotto sforzo."
Nel futuro, le osservazioni raccolte da questo team di ricercatori potrebbero aprire la strada alla fabbricazione di transistor CMOS basati su GaN. Prof. Giustino, che di recente si è trasferito all'Università del Texas ad Austin, dove detiene la cattedra Moncrief di ingegneria dei materiali quantistici, ci dice che il prossimo passo sarà realizzare una realizzazione sperimentale proof-of-concept dell'effetto di inversione osservato in questo recente lavoro.
"La nostra collaboratrice e co-autrice, la prof.ssa Jena della Cornell University, è leader nella progettazione e produzione di materiali e dispositivi in nitruro, e il suo gruppo sta tentando la fabbricazione di campioni di GaN ad alta mobilità, " disse Giustino.
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