Nel nitruro di gallio (GaN) impiantato con una piccola quantità di magnesio (Mg), NIMS è riuscito per la prima volta a visualizzare la distribuzione e il comportamento ottico del Mg impiantato su scala nanometrica, il che può aiutare a migliorare le prestazioni elettriche dei dispositivi basati su GaN. Vengono anche rivelati alcuni dei meccanismi con cui gli ioni Mg introdotti convertono GaN in un semiconduttore di tipo p. Questi risultati possono accelerare significativamente l'identificazione delle condizioni ottimali per l'impianto di Mg, vitali per la produzione di massa di dispositivi di potenza GaN.

Lo sviluppo di dispositivi di alimentazione basati su GaN, una tecnologia promettente per il risparmio energetico, richiede la fabbricazione di semiconduttori GaN di tipo n e p. I semiconduttori GaN di tipo p possono essere prodotti in serie introducendo ioni Mg in wafer di GaN e sottoponendo i wafer a trattamento termico. Però, non esisteva alcun metodo per valutare l'effetto delle concentrazioni di Mg e della temperatura del trattamento termico sulla distribuzione e sul comportamento ottico del Mg impiantato nel GaN a dimensioni nanometriche. Inoltre, i meccanismi con cui le forme di GaN di tipo p sono rimasti finora poco chiari. Questi problemi hanno ostacolato lo sviluppo di tecnologie che consentono la produzione di massa di dispositivi GaN.

Per questa ricerca, abbiamo preparato sezioni trasversali inclinate di wafer di GaN impiantati con ioni Mg lucidando i wafer ad angolo e analizzato la distribuzione dell'intensità della luminescenza sulle sezioni trasversali utilizzando una tecnica di catodoluminescenza. Di conseguenza, abbiamo scoperto che gli atomi di Mg impiantati a diverse decine di nanometri sotto la superficie del wafer erano stati attivati ​​mentre quelli immediatamente sotto la superficie non erano stati attivati ​​(figura a sinistra). Inoltre, abbiamo scoperto usando la tomografia a sonda atomica che gli atomi di Mg, quando impiantato in alte concentrazioni, si sviluppano in depositi a forma di disco o bastoncino a seconda della temperatura (figura a destra). L'integrazione di diversi risultati analitici generati da queste ultime tecniche di microscopia ha indicato che gli atomi di Mg impiantati in prossimità della superficie del wafer possono svilupparsi in depositi in determinate condizioni di temperatura, e quindi impedisce loro di attivarsi.

I risultati di questa ricerca hanno fornito una guida vitale per lo sviluppo di strati di GaN di tipo p drogati con ioni. Per di più, le tecniche sviluppate durante questo progetto per l'analisi delle distribuzioni di impurezze sono applicabili non solo in wafer omogenei ma anche in materiali di dispositivi GaN con strutture variabili. L'uso di queste tecniche può quindi accelerare lo sviluppo di dispositivi GaN ad alte prestazioni.