Nu halfgeleiders op siliciumbasis hun prestatielimieten bereiken, galliumnitride (GaN) wordt het volgende go-to-materiaal om light-emitting diode (LED) -technologieën te bevorderen, hoogfrequente transistoren en fotovoltaïsche apparaten. GaN tegenhouden, echter, is het hoge aantal defecten.

Deze materiële degradatie is te wijten aan dislocaties - wanneer atomen worden verplaatst in de kristalroosterstructuur. Wanneer meerdere dislocaties tegelijkertijd bewegen door afschuifkracht, bindingen langs de roostervlakken strekken zich uit en breken uiteindelijk. Terwijl de atomen zichzelf herschikken om hun bindingen te hervormen, sommige vliegtuigen blijven intact terwijl andere permanent vervormd raken, met slechts halve vliegtuigen op hun plaats. Als de dwarskracht groot genoeg is, de dislocatie zal eindigen langs de rand van het materiaal.

Het aanbrengen van GaN op substraten van verschillende materialen maakt het probleem nog veel erger omdat de roosterstructuren doorgaans niet op één lijn liggen. Dit is de reden waarom het uitbreiden van ons begrip van hoe GaN-defecten zich op atomair niveau vormen, de prestaties van de apparaten die met dit materiaal zijn gemaakt, zou kunnen verbeteren.

Een team van onderzoekers heeft een belangrijke stap in de richting van dit doel gezet door zes kernconfiguraties van het GaN-rooster te onderzoeken en te bepalen. Ze presenteerden hun bevindingen in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde .

"Het doel is om te identificeren, deze dislocaties verwerken en karakteriseren om de impact van defecten in GaN volledig te begrijpen, zodat we specifieke manieren kunnen vinden om dit materiaal te optimaliseren, " zei Joseph Kioseoglou, een onderzoeker aan de Aristoteles Universiteit van Thessaloniki en een auteur van het artikel.

Er zijn ook problemen die inherent zijn aan de eigenschappen van GaN en die resulteren in ongewenste effecten zoals kleurverschuivingen in de emissie van op GaN gebaseerde LED's. Volgens Kioseoglou, dit zou mogelijk kunnen worden aangepakt door gebruik te maken van verschillende groeioriëntaties.

De onderzoekers gebruikten computationele analyse via simulaties van moleculaire dynamica en dichtheidsfunctionaaltheorie om de structurele en elektronische eigenschappen van a-type basale randdislocaties langs de <1-100> richting in GaN. Dislocaties langs deze richting zijn gebruikelijk in semipolaire groeioriëntaties.

Het onderzoek was gebaseerd op drie modellen met verschillende kernconfiguraties. De eerste bestond uit drie stikstof (N) atomen en één gallium (Ga) atoom voor de Ga polariteit; de tweede had vier N-atomen en twee Ga-atomen; de derde bevatte twee N-atomen en twee Ga-kern-geassocieerde atomen. Moleculair dynamische berekeningen werden uitgevoerd met ongeveer 15, 000 atomen voor elke configuratie.

De onderzoekers ontdekten dat de N-polariteitsconfiguraties significant meer toestanden in de bandgap vertoonden in vergelijking met de Ga-polariteitsconfiguraties, waarbij de N-polaire configuraties kleinere bandgap-waarden presenteren.

"Er is een verband tussen de kleinere bandgap-waarden en het grote aantal toestanden daarbinnen, " zei Kioseoglou. "Deze bevindingen tonen mogelijk de rol van stikstof aan als een belangrijke bijdrage aan dislocatiegerelateerde effecten in op GaN gebaseerde apparaten."