Ingénierie cristalline de la structure et de la mobilité des bandes dans le GaN. (une), (b) Modification de la structure de bande de quasiparticules GW de GaN lors d'une dilatation et d'une compression biaxiales, respectivement. Les niveaux d'énergie ont été alignés sur le minimum de la bande de conduction (CBM) et le maximum de la bande de valence (VBM). (c) Fonction d'onde électronique au VBM à pour la structure wurtzite GaN non déformée, ainsi que pour 2% de dilatation biaxiale et 2% de compression biaxiale, respectivement. (d) Séparation du champ cristallin Δcf en fonction de la déformation et (e) mobilité Hall du trou correspondant à 300 K. (f) Mobilité des trous prédite en fonction de la température dans la wurtzite GaN en fonction de la déformation biaxiale. Crédit :Poncé, Iéna &Giustino.
Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau souvent utilisé pour construire des dispositifs de puissance à semi-conducteurs et des diodes électroluminescentes (DEL). Autrefois, les chercheurs ont exploré la possibilité de réaliser des transistors GaN à canal p, ce qui pourrait aider au développement d'ordinateurs plus performants.
Fabriquer ce type de transistor, cependant, s'est jusqu'à présent avéré très difficile. Une des principales raisons à cela est la faible mobilité des trous du GaN, ce qui signifie essentiellement que les "trous" (c'est-à-dire, électrons manquants dans le matériau) se déplacent trop lentement à travers le semi-conducteur lorsqu'un champ électrique lui est appliqué.
Des chercheurs de l'Université d'Oxford et de l'Université de Cornell ont récemment mené une étude sur la mobilité intrinsèque limitée par les phonons des électrons et des trous dans la wurtzite GaN. leurs observations, décrit dans un article publié dans Lettres d'examen physique , suggèrent que la mobilité des trous de GaN peut être augmentée en inversant le signe de la division du champ cristallin, soulever les états des trous séparés au-dessus des trous légers et lourds.
"Nous travaillions au développement d'outils de calcul pour prédire la mobilité des matériaux semi-conducteurs à partir des équations fondamentales de la mécanique quantique et à l'aide de calculateurs performants, " Feliciano Giustino, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org.
En physique, la mobilité des porteurs de charge (par exemple les électrons et les trous), définit la vitesse à laquelle ces particules peuvent se déplacer lorsqu'une différence de tension s'établit entre les deux extrémités d'un semi-conducteur. La mobilité est un paramètre clé que les chercheurs doivent prendre en compte lors de la conception de dispositifs électroniques et optoélectroniques, y compris les transistors utilisés pour fabriquer des microprocesseurs pour smartphones.
"L'un des problèmes clés de l'électronique haute puissance et des communications sans fil est que le matériau le plus largement utilisé, nitrure de gallium (GaN), a une mobilité électronique très élevée, mais une mobilité de trou très faible, " expliqua Giustino. " En conséquence de cette asymétrie, il n'est actuellement pas possible d'utiliser du GaN dans l'élément de circuit le plus fondamental de l'électronique moderne, le transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur complémentaire (CMOS). Dans notre recherche, nous avons utilisé des superordinateurs pour concevoir des matériaux GaN modifiés avec une mobilité des trous améliorée."
Pour mener à bien leurs recherches, Giustino et ses collègues ont utilisé des simulations informatiques très précises de matériaux, dans laquelle chaque atome est décrit selon les lois fondamentales de la mécanique quantique. Le formalisme théorique qui sous-tend leurs investigations repose sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et exploite les concepts généraux de la mécanique statistique, comme l'équation de Boltzmann. En combinant ces théories avec des supercalculateurs massivement parallèles, les chercheurs sont capables de prédire la mobilité des semi-conducteurs avec une précision extrêmement élevée.
"Dans notre approche, nous n'utilisons aucun paramètre empirique, on ne précise que les espèces atomiques dans le matériau (ici gallium et azote), " a expliqué Giustino. " La méthodologie est implémentée dans notre projet de logiciel open source EPW, qui est accessible à tous."
L'étude menée par le Dr Samuel Poncé, Prof. Debdeep Jena, et le professeur Giustino a rassemblé plusieurs observations intéressantes. Premièrement, les chercheurs ont découvert qu'en appliquant une contrainte de traction biaxiale de 2 % à des films de GaN d'une épaisseur d'environ 10 à 30 nm, on peut améliorer la mobilité des trous du semi-conducteur de près de 250 %.
"Cette amélioration est suffisante pour permettre la réalisation de semi-conducteurs-oxyde-métal complémentaires (CMOS) à base de GaN, quelque chose qui est resté insaisissable jusqu'à présent, " a déclaré Giustino. " A un niveau plus fondamental, l'effet que nous avons découvert, que nous avons nommé 'inversion de la division du champ cristallin, ' est très intrigante car elle résulte d'un petit réordonnancement des états quantiques dans GaN sous contrainte."
À l'avenir, les observations recueillies par cette équipe de chercheurs pourraient ouvrir la voie à la fabrication de transistors CMOS à base de GaN. Pr Giustino, qui a récemment déménagé à l'Université du Texas à Austin, où il est titulaire de la Chaire Moncrief d'Ingénierie des Matériaux Quantiques, nous indique que la prochaine étape sera de réaliser une réalisation expérimentale de preuve de concept de l'effet d'inversion observé dans ce travail récent.
"Notre collaborateur et co-auteur, le professeur Jena de l'Université Cornell, est un leader dans la conception et la fabrication de matériaux et de dispositifs en nitrure, et son groupe tente de fabriquer des échantillons de GaN à haute mobilité, " a déclaré Giustino.
© 2019 Réseau Science X
