Alors que les semi-conducteurs à base de silicium atteignent leurs limites de performance, le nitrure de gallium (GaN) devient le prochain matériau de prédilection pour faire progresser les technologies des diodes électroluminescentes (DEL), transistors haute fréquence et dispositifs photovoltaïques. Retenir GaN, cependant, est son nombre élevé de défauts.

Cette dégradation du matériau est due aux dislocations, lorsque les atomes se déplacent dans la structure du réseau cristallin. Lorsque plusieurs dislocations se déplacent simultanément de la force de cisaillement, les liaisons le long des plans du réseau s'étirent et finissent par se rompre. Au fur et à mesure que les atomes se réorganisent pour reformer leurs liaisons, certains avions restent intacts tandis que d'autres se déforment définitivement, avec seulement des demi-avions en place. Si la force de cisaillement est suffisamment importante, la dislocation finira le long du bord du matériau.

La superposition de GaN sur des substrats de différents matériaux aggrave le problème car les structures en treillis ne s'alignent généralement pas. C'est pourquoi élargir notre compréhension de la formation des défauts de GaN au niveau atomique pourrait améliorer les performances des dispositifs fabriqués à partir de ce matériau.

Une équipe de chercheurs a franchi une étape importante vers cet objectif en examinant et en déterminant six configurations de noyau du réseau de GaN. Ils ont présenté leurs conclusions dans le Journal de physique appliquée .

« Le but est d'identifier, traiter et caractériser ces dislocations pour bien comprendre l'impact des défauts dans le GaN afin de trouver des pistes spécifiques pour optimiser ce matériau, " dit Joseph Kioseoglou, chercheur à l'Université Aristote de Thessalonique et auteur de l'article.

Il existe également des problèmes intrinsèques aux propriétés du GaN qui entraînent des effets indésirables tels que des changements de couleur dans l'émission des LED à base de GaN. Selon Kioseoglou, cela pourrait potentiellement être résolu en exploitant différentes orientations de croissance.

Les chercheurs ont utilisé une analyse informatique via des simulations de dynamique moléculaire et de théorie fonctionnelle de la densité pour déterminer les propriétés structurelles et électroniques des dislocations basales de type a le long de la <1-100> direction dans GaN. Les dislocations le long de cette direction sont courantes dans les orientations de croissance semi-polaires.

L'étude était basée sur trois modèles avec des configurations de cœur différentes. Le premier était constitué de trois atomes d'azote (N) et d'un atome de gallium (Ga) pour la polarité Ga; le second avait quatre atomes de N et deux atomes de Ga; le troisième contenait deux atomes N et deux atomes Ga associés au noyau. Les calculs de dynamique moléculaire ont été effectués en utilisant environ 15, 000 atomes pour chaque configuration.

Les chercheurs ont découvert que les configurations de polarité N présentaient beaucoup plus d'états dans la bande interdite par rapport à celles de polarité Ga, avec les N configurations polaires présentant des valeurs de bande interdite plus faibles.

"Il existe un lien entre les valeurs de bande interdite plus petites et le grand nombre d'états qu'elles contiennent, ", a déclaré Kioseoglou. "Ces résultats démontrent potentiellement le rôle de l'azote en tant que contributeur majeur aux effets liés à la dislocation dans les dispositifs à base de GaN."