Ingeniería de campo cristalino de estructura de bandas y movilidad en GaN. (a), (b) Cambio en la estructura de bandas de cuasipartículas GW de GaN tras la dilatación y compresión biaxiales, respectivamente. Los niveles de energía se han alineado con el mínimo de la banda de conducción (CBM) y el máximo de la banda de valencia (VBM). (c) Función de onda electrónica en el VBM en Γ para la estructura de GaN de wurtzita no distorsionada, así como para 2% de dilatación biaxial y 2% de compresión biaxial, respectivamente. (d) Escisión del campo cristalino Δcf frente a la deformación y (e) la correspondiente movilidad de Hall del agujero a 300 K. (f) Movilidad prevista del agujero dependiente de la temperatura en wurtzita GaN como una función de la deformación biaxial. Crédito:Poncé, Jena y Giustino.
El nitruro de galio (GaN) es un material que se utiliza a menudo para construir dispositivos de potencia semiconductores y diodos emisores de luz (LED). En el pasado, Los investigadores han explorado la posibilidad de realizar transistores de canal p de GaN, lo que podría ayudar al desarrollo de computadoras con mejor rendimiento.
Fabricar este tipo de transistor, sin embargo, hasta ahora ha demostrado ser un gran desafío. Una razón clave de esto es la baja movilidad del pozo de GaN, lo que esencialmente significa que "agujeros" (es decir, electrones faltantes en el material) se mueven demasiado lentamente a través del semiconductor cuando se le aplica un campo eléctrico.
Investigadores de la Universidad de Oxford y la Universidad de Cornell han llevado a cabo recientemente un estudio que investiga la movilidad intrínseca de los electrones y los huecos en la wurtzita GaN, limitada por el fonón. Sus observaciones, esbozado en un artículo publicado en Cartas de revisión física , sugieren que la movilidad del agujero de GaN puede aumentarse invirtiendo el signo de la división del campo cristalino, levantando los estados del orificio dividido por encima de los orificios ligeros y pesados.
"Estábamos trabajando en el desarrollo de herramientas computacionales para predecir la movilidad de materiales semiconductores a partir de las ecuaciones fundamentales de la mecánica cuántica y utilizando computadoras de alto rendimiento". "Feliciano Giustino, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org.
En física, la movilidad de los portadores de carga (por ejemplo, electrones y huecos), define la velocidad a la que estas partículas pueden moverse cuando se establece una diferencia de voltaje entre los dos extremos de un semiconductor. La movilidad es un parámetro clave que los investigadores deben tener en cuenta al diseñar dispositivos electrónicos y optoelectrónicos. incluidos los transistores utilizados para fabricar microprocesadores para teléfonos inteligentes.
"Uno de los problemas clave en la electrónica de alta potencia y las comunicaciones inalámbricas es que el material más utilizado, nitruro de galio (GaN), tiene una movilidad de electrones muy alta, pero una movilidad de hoyo muy pobre, "Giustino explicó." Como consecuencia de esta asimetría, Actualmente no es posible utilizar GaN en el elemento de circuito más fundamental de la electrónica moderna, el transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS). En nuestra investigación, utilizamos supercomputadoras para diseñar materiales de GaN modificados con mayor movilidad de los orificios ".
Para realizar su investigación, Giustino y sus colegas utilizaron simulaciones informáticas de materiales de alta precisión, en el que cada átomo se describe de acuerdo con las leyes fundamentales de la mecánica cuántica. El formalismo teórico subyacente a sus investigaciones se basa en la teoría funcional de la densidad (DFT) y explota conceptos generales de mecánica estadística, como la ecuación de Boltzmann. Al combinar estas teorías con supercomputadoras masivamente paralelas, los investigadores pueden predecir la movilidad de los semiconductores con una precisión extremadamente alta.
"En nuestro enfoque no utilizamos ningún parámetro empírico, solo especificamos las especies atómicas en el material (en este caso galio y nitrógeno), "Explicó Giustino." La metodología se implementa en nuestro proyecto de software de código abierto EPW, que está disponible para todos ".
El estudio realizado por el Dr. Samuel Poncé, Prof. Debdeep Jena, y el profesor Giustino reunió varias observaciones interesantes. Primeramente, los investigadores descubrieron que al aplicar una deformación biaxial de tracción del 2 por ciento a películas de GaN que tienen aproximadamente 10-30 nm de espesor, se puede mejorar la movilidad de los huecos del semiconductor en casi un 250 por ciento.
"Esta mejora es suficiente para permitir la realización de semiconductores de óxido metálico complementarios (CMOS) basados en GaN, algo que ha permanecido esquivo hasta ahora, "Dijo Giustino." En un nivel más fundamental, el efecto que descubrimos, que llamamos 'inversión de la división del campo cristalino, 'es muy intrigante porque es el resultado de un pequeño reordenamiento de los estados cuánticos en GaN bajo tensión ".
En el futuro, las observaciones recopiladas por este equipo de investigadores podrían allanar el camino para la fabricación de transistores CMOS basados en GaN. Prof. Giustino, quien recientemente se mudó a la Universidad de Texas en Austin, donde ocupa la Cátedra Moncrief de Ingeniería de Materiales Cuánticos, nos dice que el siguiente paso será llevar a cabo una realización experimental de prueba de concepto del efecto de reversión observado en este trabajo reciente.
"Nuestro colaborador y coautor, el Prof. Jena de la Universidad de Cornell, es líder en el diseño y fabricación de materiales y dispositivos de nitruro, y su grupo está intentando la fabricación de muestras de GaN de alta movilidad, "Dijo Giustino.
© 2019 Science X Network
