L'industria dei semiconduttori e praticamente tutta l'elettronica oggi sono dominate dal silicio. Nei transistor, chip per computer, e celle solari, il silicio è un componente standard da decenni. Ma tutto questo potrebbe cambiare presto, con nitruro di gallio (GaN) emergente come un potente, anche superiore, alternativa. Pur non essendo molto conosciuto, I semiconduttori GaN sono presenti nel mercato dell'elettronica dagli anni '90 e sono spesso impiegati nei dispositivi elettronici di potenza a causa del loro gap di banda relativamente più ampio rispetto al silicio, un aspetto che lo rende un candidato migliore per applicazioni ad alta tensione e alta temperatura. Inoltre, la corrente viaggia più velocemente attraverso il GaN, che garantisce minori perdite di commutazione durante le applicazioni di commutazione.

Non tutto in GaN è perfetto, però. Mentre le impurità sono solitamente desiderabili nei semiconduttori, le impurità indesiderate possono spesso degradare le loro prestazioni. In GaN, impurità come gli atomi di carbonio spesso portano a prestazioni di commutazione inferiori a causa dell'intrappolamento dei portatori di carica in "livelli profondi, ' livelli di energia creati dai difetti di impurezza negli strati di cristallo di GaN e pensati per originare dalla presenza di un'impurezza di carbonio su un sito di azoto.

Una curiosa manifestazione sperimentale dei livelli profondi è la comparsa di una luminescenza gialla di lunga durata nello spettro di fotoluminescenza del GaN insieme a un lungo tempo di ricombinazione del portatore di carica riportato da tecniche di caratterizzazione come la fotoluminescenza risolta nel tempo (TR-PL) e il decadimento della fotoconduttività a microonde ( μ-PCD). Però, il meccanismo alla base di questa longevità non è chiaro.

In un recente studio pubblicato su Rivista di fisica applicata scienziati giapponesi hanno esplorato l'effetto dei livelli profondi sul tempo di decadimento della luminescenza gialla e sulla ricombinazione del vettore osservando come i segnali TR-PL e μ-PCD cambiassero con la temperatura. "Solo dopo aver compreso l'impatto delle impurità nei dispositivi a semiconduttore di potenza GaN possiamo spingere per lo sviluppo di tecnologie di controllo delle impurità nella crescita dei cristalli di GaN, " afferma il Prof. Masashi Kato del Nagoya Institute of Technology, Giappone, che ha condotto lo studio.

Gli scienziati hanno preparato due campioni di strati di GaN cresciuti su substrati di GaN, uno drogato con silicio e l'altro con ferro. Il drogaggio involontario delle impurità di carbonio è avvenuto durante il processo di drogaggio del silicio. Per le misurazioni TR-PL, il team ha registrato segnali per temperature fino a 350°C mentre per μ-PCD fino a 250°C a causa delle limitazioni del sistema. Hanno usato un impulso laser UV lungo 1 nanosecondo per eccitare i campioni e misurato il riflesso delle microonde dai campioni per μ-PCD.

I segnali TR-PL per entrambi i campioni hanno mostrato una componente più lenta (decadimento) con un tempo di decadimento di 0,2-0,4 millisecondi. Inoltre, l'uso di un filtro passa-lungo con un cut-off a 461 nm ha confermato che era coinvolta la luce gialla. In entrambi i campioni, e sia per misurazioni TR-PL che μ-PCD, il tempo di decadimento è sceso sopra i 200°C, coerente con i rapporti precedenti.

Per spiegare questi risultati, gli scienziati hanno fatto ricorso a calcoli numerici, che ha rivelato che i livelli profondi essenzialmente intrappolavano "buchi" (assenza di elettroni) che alla fine si ricombinavano con elettroni liberi ma impiegavano molto tempo a farlo a causa della possibilità estremamente ridotta che un elettrone venisse catturato dal livello profondo. Però, ad alte temperature, i fori sono riusciti a fuggire dalla trappola e si sono ricombinati con gli elettroni attraverso un canale di ricombinazione molto più veloce, spiegando il declino del tempo di decadimento.

"Per ridurre gli effetti della componente di decadimento lento, dobbiamo mantenere una bassa concentrazione di carbonio o adottare strutture di dispositivi con iniezioni di fori soppresse, "dice il prof. Kato.

Con queste intuizioni, è forse solo una questione di tempo prima che gli scienziati scoprano come evitare queste insidie. Ma con l'ascesa al potere di GaN, sarà solo elettronica migliore?

Il prof. Kato la pensa diversamente. "Il GaN consente minori perdite di potenza nei dispositivi elettronici e quindi consente di risparmiare energia. Penso che possa fare molto per mitigare gli effetti serra e i cambiamenti climatici, " conclude ottimisticamente. Questi risultati sulle impurità possono quindi essere ciò che ci porta a un pulitore, futuro più verde!