Engenharia de campo cristalino de estrutura de banda e mobilidade em GaN. (uma), (b) Mudança na estrutura da banda de quasipartículas de GW de GaN após dilatação e compressão biaxial, respectivamente. Os níveis de energia foram alinhados ao mínimo da banda de condução (CBM) e ao máximo da banda de valência (VBM). (c) Função de onda de elétrons no VBM em Γ para a estrutura wurtzite GaN não distorcida, bem como para dilatação biaxial de 2% e compressão biaxial de 2%, respectivamente. (d) Divisão do campo de cristal Δcf versus deformação e (e) mobilidade Hall do orifício correspondente a 300 K. (f) Mobilidade do orifício dependente da temperatura prevista em wurtzite GaN como uma função da deformação biaxial. Crédito:Poncé, Jena e Giustino.
O nitreto de gálio (GaN) é um material freqüentemente usado para construir dispositivos semicondutores de energia e diodos emissores de luz (LEDs). No passado, pesquisadores exploraram a possibilidade de realizar transistores de canal p de GaN, o que poderia ajudar no desenvolvimento de computadores com melhor desempenho.
Fabricando este tipo de transistor, Contudo, até agora provou ser muito desafiador. Um dos principais motivos para isso é a baixa mobilidade de orifício de GaN, o que significa essencialmente que "buracos" (ou seja, elétrons ausentes no material) se movem muito lentamente através do semicondutor quando um campo elétrico é aplicado a ele.
Pesquisadores da Universidade de Oxford e da Universidade de Cornell realizaram recentemente um estudo investigando a mobilidade intrínseca dos elétrons limitada aos fônons e lacunas no GaN wurtzita. Suas observações, descrito em um artigo publicado em Cartas de revisão física , sugerem que a mobilidade do buraco de GaN pode ser aumentada invertendo o sinal da divisão do campo de cristal, levantar os estados do furo dividido acima dos furos leves e pesados.
"Estávamos trabalhando no desenvolvimento de ferramentas computacionais para prever a mobilidade de materiais semicondutores a partir das equações fundamentais da mecânica quântica e usando computadores de alto desempenho, "Feliciano Giustino, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org.
Na física, a mobilidade dos portadores de carga (por exemplo, elétrons e lacunas), define a velocidade na qual essas partículas podem se mover quando uma diferença de voltagem é estabelecida entre as duas extremidades de um semicondutor. A mobilidade é um parâmetro-chave que os pesquisadores precisam considerar ao projetar dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos, incluindo transistores usados para fabricar microprocessadores para smartphones.
"Um dos principais problemas da eletrônica de alta potência e das comunicações sem fio é que o material mais amplamente utilizado, nitreto de gálio (GaN), tem uma mobilidade eletrônica muito alta, mas uma mobilidade de buraco muito pobre, "Giustino explicou." Como conseqüência dessa assimetria, atualmente não é possível usar GaN no elemento de circuito mais fundamental da eletrônica moderna, o transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS). Em nossa pesquisa, usamos supercomputadores para projetar materiais GaN modificados com mobilidade de furo aprimorada. "
Para realizar suas pesquisas, Giustino e seus colegas usaram simulações de computador altamente precisas de materiais, em que cada átomo é descrito de acordo com as leis fundamentais da mecânica quântica. O formalismo teórico subjacente às suas investigações baseia-se na teoria do funcional da densidade (DFT) e explora conceitos gerais da mecânica estatística, como a equação de Boltzmann. Ao combinar essas teorias com supercomputadores maciçamente paralelos, os pesquisadores são capazes de prever a mobilidade dos semicondutores com uma precisão extremamente alta.
"Em nossa abordagem, não usamos nenhum parâmetro empírico, nós apenas especificamos as espécies atômicas no material (neste caso, gálio e nitrogênio), "Giustino explicou." A metodologia é implementada em nosso projeto de software de código aberto EPW, que está disponível para todos. "
O estudo realizado pelo Dr. Samuel Poncé, Prof. Debdeep Jena, e o Prof. Giustino reuniu várias observações interessantes. Em primeiro lugar, os pesquisadores descobriram que, aplicando uma tensão biaxial de tração de 2 por cento a filmes de GaN com aproximadamente 10-30 nm de espessura, pode-se melhorar a mobilidade do orifício do semicondutor em quase 250%.
"Este aprimoramento é suficiente para permitir a realização de semicondutores de óxido de metal complementar à base de GaN (CMOSs), algo que permaneceu indefinido até agora, "Giustino disse." Em um nível mais fundamental, o efeito que descobrimos, que chamamos de 'reversão da divisão do campo de cristal, 'é muito intrigante porque resulta de uma pequena reordenação dos estados quânticos em GaN sob tensão. "
No futuro, as observações coletadas por esta equipe de pesquisadores podem abrir caminho para a fabricação de transistores CMOS baseados em GaN. Prof. Giustino, que recentemente se mudou para a Universidade do Texas em Austin, onde ocupa a cadeira Moncrief de Engenharia de Materiais Quânticos, nos diz que o próximo passo será realizar uma realização experimental de prova de conceito do efeito de reversão observado neste trabalho recente.
"Nosso colaborador e co-autor Prof. Jena da Cornell University é um líder no projeto e fabricação de materiais e dispositivos de nitreto, e seu grupo está tentando a fabricação de amostras de GaN de alta mobilidade, "Giustino disse.
© 2019 Science X Network
