A medida que los semiconductores basados ​​en silicio alcanzan sus límites de rendimiento, El nitruro de galio (GaN) se está convirtiendo en el próximo material de referencia para avanzar en las tecnologías de diodos emisores de luz (LED), transistores de alta frecuencia y dispositivos fotovoltaicos. Reteniendo a GaN, sin embargo, es su elevado número de defectos.

Esta degradación del material se debe a dislocaciones, cuando los átomos se desplazan en la estructura de la red cristalina. Cuando múltiples dislocaciones se mueven simultáneamente por la fuerza de corte, los enlaces a lo largo de los planos de celosía se estiran y eventualmente se rompen. A medida que los átomos se reorganizan para reformar sus enlaces, algunos aviones permanecen intactos mientras que otros se deforman permanentemente, con solo medios planos en su lugar. Si la fuerza cortante es lo suficientemente grande, la dislocación terminará a lo largo del borde del material.

La colocación de capas de GaN en sustratos de diferentes materiales hace que el problema sea mucho peor porque las estructuras de celosía generalmente no se alinean. Es por eso que ampliar nuestra comprensión de cómo se forman los defectos de GaN a nivel atómico podría mejorar el rendimiento de los dispositivos fabricados con este material.

Un equipo de investigadores ha dado un paso significativo hacia este objetivo al examinar y determinar seis configuraciones centrales de la red de GaN. Presentaron sus hallazgos en el Revista de física aplicada .

"El objetivo es identificar, Procesar y caracterizar estas dislocaciones para comprender completamente el impacto de los defectos en GaN para que podamos encontrar formas específicas de optimizar este material, "dijo Joseph Kioseoglou, investigador de la Universidad Aristóteles de Tesalónica y autor del artículo.

También existen problemas que son intrínsecos a las propiedades de GaN que dan como resultado efectos no deseados como cambios de color en la emisión de LED basados ​​en GaN. Según Kioseoglou, esto podría potencialmente ser abordado explotando diferentes orientaciones de crecimiento.

Los investigadores utilizaron análisis computacional a través de dinámicas moleculares y simulaciones de teoría funcional de densidad para determinar las propiedades estructurales y electrónicas de las dislocaciones del borde basal de tipo a a lo largo del <1-100> dirección en GaN. Las dislocaciones a lo largo de esta dirección son comunes en las orientaciones de crecimiento semipolar.

El estudio se basó en tres modelos con diferentes configuraciones centrales. El primero constaba de tres átomos de nitrógeno (N) y un átomo de galio (Ga) para la polaridad Ga; el segundo tenía cuatro átomos de N y dos átomos de Ga; el tercero contenía dos átomos de N y dos átomos asociados al núcleo de Ga. Los cálculos de dinámica molecular se realizaron utilizando aproximadamente 15, 000 átomos para cada configuración.

Los investigadores encontraron que las configuraciones de polaridad N exhibían significativamente más estados en la banda prohibida en comparación con las de polaridad Ga, con las N configuraciones polares presentando valores de banda prohibida más pequeños.

"Existe una conexión entre los valores de banda prohibida más pequeños y la gran cantidad de estados dentro de ellos, ", dijo Kioseoglou." Estos hallazgos demuestran potencialmente el papel del nitrógeno como un contribuyente importante a los efectos relacionados con la dislocación en los dispositivos basados ​​en GaN ".