À medida que os semicondutores à base de silício atingem seus limites de desempenho, nitreto de gálio (GaN) está se tornando o próximo material a ser usado para o avanço das tecnologias de diodo emissor de luz (LED), transistores de alta frequência e dispositivos fotovoltaicos. Retendo GaN, Contudo, é o seu alto número de defeitos.

A degradação do material se deve a deslocamentos - quando os átomos se deslocam na estrutura da rede cristalina. Quando vários deslocamentos se movem simultaneamente da força de cisalhamento, as ligações ao longo dos planos da rede se esticam e, por fim, se rompem. À medida que os átomos se reorganizam para reformar suas ligações, alguns aviões permanecem intactos enquanto outros ficam permanentemente deformados, com apenas meios planos no lugar. Se a força de cisalhamento for grande o suficiente, o deslocamento terminará ao longo da borda do material.

A estratificação de GaN em substratos de diferentes materiais torna o problema ainda pior porque as estruturas de rede normalmente não se alinham. É por isso que expandir nossa compreensão de como os defeitos de GaN se formam em nível atômico poderia melhorar o desempenho dos dispositivos feitos com este material.

Uma equipe de pesquisadores deu um passo significativo em direção a esse objetivo, examinando e determinando seis configurações principais da rede GaN. Eles apresentaram suas descobertas no Journal of Applied Physics .

"O objetivo é identificar, processar e caracterizar esses deslocamentos para compreender totalmente o impacto dos defeitos no GaN para que possamos encontrar maneiras específicas de otimizar este material, "disse Joseph Kioseoglou, pesquisador da Universidade Aristóteles de Thessaloniki e autor do artigo.

Existem também problemas intrínsecos às propriedades de GaN que resultam em efeitos indesejados, como mudanças de cor na emissão de LEDs baseados em GaN. De acordo com Kioseoglou, isso poderia ser resolvido explorando diferentes orientações de crescimento.

Os pesquisadores usaram a análise computacional via dinâmica molecular e simulações da teoria funcional da densidade para determinar as propriedades estruturais e eletrônicas dos deslocamentos da borda basal do tipo a ao longo do <1-100> direção em GaN. Luxações ao longo dessa direção são comuns em orientações de crescimento semipolar.

O estudo baseou-se em três modelos com diferentes configurações de núcleo. O primeiro consistia em três átomos de nitrogênio (N) e um átomo de gálio (Ga) para a polaridade de Ga; o segundo tinha quatro átomos de N e dois átomos de Ga; o terceiro continha dois átomos de N e dois átomos associados ao núcleo de Ga. Cálculos dinâmicos moleculares foram realizados usando aproximadamente 15, 000 átomos para cada configuração.

Os pesquisadores descobriram que as configurações de polaridade N exibiram significativamente mais estados no bandgap em comparação com as de polaridade Ga, com as configurações polares N apresentando menores valores de bandgap.

"Há uma conexão entre os menores valores de bandgap e o grande número de estados dentro deles, "disse Kioseoglou." Estas descobertas demonstram potencialmente o papel do nitrogênio como um dos principais contribuintes para os efeitos relacionados ao deslocamento em dispositivos baseados em GaN. "