A indústria de semicondutores e praticamente todos os eletrônicos de hoje são dominados pelo silício. Em transistores, chips de computador, e células solares, o silício tem sido um componente padrão por décadas. Mas tudo isso pode mudar em breve, com nitreto de gálio (GaN) emergindo como um poderoso, ainda superior, alternativa. Embora não seja muito conhecido, Os semicondutores GaN estão no mercado de eletrônicos desde 1990 e são frequentemente empregados em dispositivos eletrônicos de potência devido ao seu bandgap relativamente maior do que o silício - um aspecto que o torna um candidato melhor para aplicações de alta tensão e alta temperatura. Além disso, atual viaja mais rápido através do GaN, o que garante menos perdas de comutação durante as aplicações de comutação.

Nem tudo sobre GaN é perfeito, Contudo. Embora as impurezas sejam geralmente desejáveis ​​em semicondutores, As impurezas indesejadas podem freqüentemente degradar seu desempenho. Em GaN, impurezas, como átomos de carbono, muitas vezes levam a um pior desempenho de comutação devido ao aprisionamento de portadores de carga em 'níveis profundos, 'níveis de energia criados pelos defeitos de impureza nas camadas de cristal de GaN e pensados ​​para se originar da presença de uma impureza de carbono em um local de nitrogênio.

Uma curiosa manifestação experimental de níveis profundos é o aparecimento de uma luminescência amarela de longa duração no espectro de fotoluminescência de GaN junto com um longo tempo de recombinação de portadores de carga relatado por técnicas de caracterização como fotoluminescência resolvida no tempo (TR-PL) e decaimento da fotocondutividade de microondas ( μ-PCD). Contudo, o mecanismo subjacente a essa longevidade não é claro.

Em um estudo recente publicado em Journal of Applied Physics Cientistas do Japão exploraram o efeito dos níveis profundos no tempo de decaimento da luminescência amarela e na recombinação do portador, observando como os sinais de TR-PL e μ-PCD mudam com a temperatura. "Somente depois de compreender os impactos das impurezas nos dispositivos semicondutores de energia GaN podemos impulsionar o desenvolvimento de tecnologias de controle de impurezas no crescimento do cristal GaN, "diz o Prof. Masashi Kato do Instituto de Tecnologia de Nagoya, Japão, quem conduziu o estudo.

Os cientistas prepararam duas amostras de camadas de GaN crescidas em substratos de GaN, um dopado com silicone e outro com ferro. A dopagem não intencional de impurezas de carbono aconteceu durante o processo de dopagem de silício. Para as medições TR-PL, a equipe gravou sinais para temperaturas de até 350 ° C, enquanto para μ-PCD de até 250 ° C devido às limitações do sistema. Eles usaram um pulso de laser UV de 1 nanossegundo para excitar as amostras e mediram a reflexão de microondas das amostras para μ-PCD.

Os sinais TR-PL para ambas as amostras mostraram um componente mais lento (decaimento) com um tempo de decaimento de 0,2-0,4 milissegundos. Adicionalmente, o uso de um filtro passa-longa com corte em 461 nm confirmou que a luz amarela estava envolvida. Em ambas as amostras, e para medições de TR-PL e μ-PCD, o tempo de decaimento diminuiu acima de 200 ° C, consistente com relatórios anteriores.

Para explicar essas descobertas, os cientistas recorreram a cálculos numéricos, que revelou que os níveis profundos essencialmente prendiam "buracos" (ausência de elétrons) que eventualmente se recombravam com elétrons livres, mas demoravam muito para fazê-lo devido à chance extremamente pequena de um elétron ser capturado pelo nível profundo. Contudo, em altas temperaturas, os buracos conseguiram escapar da armadilha e se recombinarem com os elétrons por meio de um canal de recombinação muito mais rápido, explicando o declínio no tempo de decadência.

"Para reduzir os efeitos do componente de decaimento lento, devemos manter uma baixa concentração de carbono ou adotar estruturas de dispositivos com injeções de orifício suprimidas, "diz o Prof. Kato.

Com esses insights, talvez seja apenas uma questão de tempo até que os cientistas descubram como evitar essas armadilhas. Mas com a ascensão do GaN ao poder, será apenas uma eletrônica melhor?

O Prof. Kato pensa o contrário. "O GaN permite menores perdas de energia em dispositivos eletrônicos e, portanto, economiza energia. Acho que pode contribuir muito para mitigar os efeitos do efeito estufa e as mudanças climáticas, ele conclui com otimismo. Essas descobertas sobre as impurezas podem, portanto, ser o que nos leva a um produto de limpeza, futuro mais verde!