Galliumnitride (GaN) is een materiaal dat vaak wordt gebruikt voor het bouwen van halfgeleiders en lichtgevende diodes (LED's). Vroeger, onderzoekers hebben de mogelijkheid onderzocht om GaN p-kanaaltransistoren te realiseren, die zouden kunnen helpen bij de ontwikkeling van beter presterende computers.

Het fabriceren van dit type transistor, echter, is tot nu toe zeer uitdagend gebleken. Een belangrijke reden hiervoor is de lage gatenmobiliteit van GaN, wat in wezen betekent dat "gaten" (d.w.z. ontbrekende elektronen in het materiaal) bewegen te langzaam door de halfgeleider wanneer er een elektrisch veld op wordt aangelegd.

Onderzoekers van Oxford University en Cornell University hebben onlangs een studie uitgevoerd naar de intrinsieke fonon-beperkte mobiliteit van elektronen en gaten in wurtziet GaN. Hun observaties, beschreven in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , suggereren dat de gatenmobiliteit van GaN kan worden vergroot door het teken van de kristalveldsplitsing om te keren, het opheffen van de afgesplitste gaten boven lichte en zware gaten.

"We werkten aan de ontwikkeling van rekenhulpmiddelen voor het voorspellen van de mobiliteit van halfgeleidende materialen, uitgaande van de fundamentele vergelijkingen van de kwantummechanica en het gebruik van krachtige computers, "Feliciano Giustino, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org.

in de natuurkunde, de mobiliteit van ladingsdragers (bijvoorbeeld elektronen en gaten), definieert de snelheid waarmee deze deeltjes kunnen bewegen wanneer er een spanningsverschil ontstaat tussen de twee uiteinden van een halfgeleider. Mobiliteit is een belangrijke parameter waarmee onderzoekers rekening moeten houden bij het ontwerpen van elektronische en opto-elektronische apparaten, inclusief transistors die worden gebruikt om microprocessors voor smartphones te fabriceren.

"Een van de belangrijkste problemen bij krachtige elektronica en draadloze communicatie is dat het meest gebruikte materiaal, galliumnitride (GaN), heeft een zeer hoge elektronenmobiliteit, maar een zeer slechte gatenmobiliteit, " legde Giustino uit. "Als gevolg van deze asymmetrie, het is momenteel niet mogelijk om GaN te gebruiken in het meest fundamentele circuitelement van moderne elektronica, de complementaire metaaloxide-halfgeleider veldeffecttransistor (CMOS). In ons onderzoek hebben we gebruikten supercomputers om gemodificeerde GaN-materialen te ontwerpen met verbeterde gatenmobiliteit."

Om hun onderzoek uit te voeren, Giustino en zijn collega's gebruikten zeer nauwkeurige computersimulaties van materialen, waarin elk atoom wordt beschreven volgens de fundamentele wetten van de kwantummechanica. Het theoretische formalisme dat aan hun onderzoek ten grondslag ligt, is gebaseerd op de dichtheidsfunctionele theorie (DFT) en maakt gebruik van algemene concepten van statistische mechanica, zoals de Boltzmann-vergelijking. Door deze theorieën te combineren met enorm parallelle supercomputers, de onderzoekers kunnen de mobiliteit van halfgeleiders extreem nauwkeurig voorspellen.

"In onze aanpak gebruiken we geen empirische parameters, we specificeren alleen de atomaire soorten in het materiaal (in dit geval gallium en stikstof), " legde Giustino uit. "De methodologie is geïmplementeerd in ons open-source softwareproject EPW, die voor iedereen beschikbaar is."

De studie uitgevoerd door Dr. Samuel Poncé, Prof. Debdeep Jena, en Prof. Giustino verzamelde verschillende interessante observaties. Ten eerste, de onderzoekers ontdekten dat door een biaxiale trekspanning van 2 procent toe te passen op GaN-films met een dikte van ongeveer 10-30 nm, men kan de gatenmobiliteit van de halfgeleider met bijna 250 procent verbeteren.

"Deze verbetering is voldoende om de realisatie van op GaN gebaseerde complementaire metaaloxide-halfgeleiders (CMOS's) mogelijk te maken, iets dat tot nu toe ongrijpbaar is gebleven, " zei Giustino. "Op een meer fundamenteel niveau, het effect dat we ontdekten, die we 'omkering van kristalveldsplitsing' noemden, ' is erg intrigerend omdat het het gevolg is van een kleine herschikking van de kwantumtoestanden in GaN onder spanning."

In de toekomst, de waarnemingen die door dit team van onderzoekers zijn verzameld, kunnen de weg vrijmaken voor de fabricage van op GaN gebaseerde CMOS-transistors. Prof. Giustino, die onlangs naar de Universiteit van Texas in Austin verhuisde, waar hij de Moncrief Chair van Quantum Materials Engineering bekleedt, vertelt ons dat de volgende stap zal zijn om een ​​proof-of-concept experimentele realisatie uit te voeren van het omkeringseffect dat in dit recente werk is waargenomen.

"Onze medewerker en co-auteur Prof. Jena van Cornell University is een leider in het ontwerp en de productie van nitridematerialen en apparaten, en zijn groep probeert GaN-monsters met hoge mobiliteit te maken, ' zei Giustino.

© 2019 Wetenschap X Netwerk