Galliumnitrid (GaN) är ett material som ofta används för att bygga halvledarkraftenheter och lysdioder (LED). Förr, forskare har undersökt möjligheten att realisera GaN p-kanal transistorer, vilket skulle kunna underlätta utvecklingen av bättre presterande datorer.

Tillverkning av denna typ av transistor, dock, har hittills visat sig vara mycket utmanande. En viktig orsak till detta är den låga hålrörligheten hos GaN, vilket i huvudsak betyder att "hål" (dvs. saknade elektroner i materialet) rör sig för långsamt genom halvledaren när ett elektriskt fält appliceras på den.

Forskare vid Oxford University och Cornell University har nyligen genomfört en studie som undersöker den inneboende fononbegränsade rörligheten hos elektroner och hål i wurtzite GaN. Deras iakttagelser, beskrivs i en tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , föreslår att hålrörligheten för GaN kan ökas genom att vända tecknet på kristallfältsdelningen, lyfta de avdelade håltillstånden ovanför lätta och tunga hål.

"Vi arbetade med att utveckla beräkningsverktyg för att förutsäga rörligheten hos halvledande material med utgångspunkt från kvantmekanikens grundläggande ekvationer och med hjälp av högpresterande datorer, " Feliciano Giustino, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org.

I fysik, rörligheten hos laddningsbärare (t.ex. elektroner och hål), definierar hastigheten med vilken dessa partiklar kan röra sig när en spänningsskillnad sätts upp mellan de två ändarna av en halvledare. Mobilitet är en nyckelparameter som forskare måste tänka på när de designar elektroniska och optoelektroniska enheter, inklusive transistorer som används för att tillverka mikroprocessorer för smartphones.

"Ett av huvudproblemen inom högeffektelektronik och trådlös kommunikation är att det mest använda materialet, galliumnitrid (GaN), har en mycket hög elektronrörlighet, men en mycket dålig hålrörlighet, " förklarade Giustino. "Som en konsekvens av denna asymmetri, det är för närvarande inte möjligt att använda GaN i det mest grundläggande kretselementet i modern elektronik, den komplementära metall-oxid-halvledarfälteffekttransistorn (CMOS). I vår forskning, vi använde superdatorer för att designa modifierade GaN-material med förbättrad hålrörlighet."

För att utföra sin forskning, Giustino och hans kollegor använde mycket exakta datorsimuleringar av material, där varje atom beskrivs enligt kvantmekanikens grundläggande lagar. Den teoretiska formalismen som ligger till grund för deras undersökningar bygger på densitetsfunktionella teorin (DFT) och utnyttjar allmänna begrepp inom statistisk mekanik, som Boltzmann-ekvationen. Genom att kombinera dessa teorier med massivt parallella superdatorer, forskarna kan förutsäga halvledarnas rörlighet med extremt hög noggrannhet.

"I vårt tillvägagångssätt använder vi inte några empiriska parametrar, vi specificerar bara atomarten i materialet (i detta fall gallium och kväve), " förklarade Giustino. "Metodiken är implementerad i vårt program med öppen källkod EPW, som är tillgänglig för alla."

Studien utförd av Dr. Samuel Poncé, Prof. Debdeep Jena, och Prof. Giustino samlade flera intressanta observationer. För det första, forskarna upptäckte att genom att applicera en biaxiell dragspänning på 2 procent på GaN-filmer som är cirka 10-30 nm i tjocklek, man kan förbättra halvledarens hålrörlighet med nästan 250 procent.

"Denna förbättring är tillräckligt för att möjliggöra förverkligandet av GaN-baserade komplementära metalloxid-halvledare (CMOS), något som har varit svårfångat fram till nu, " sa Giustino. "På en mer grundläggande nivå, effekten som vi upptäckte, som vi kallade "omvändning av kristallfältsdelning, ' är mycket spännande eftersom det är ett resultat av en liten omordning av kvanttillstånden i GaN under påfrestning."

I framtiden, observationerna som samlats in av detta team av forskare kan bana väg för tillverkning av GaN-baserade CMOS-transistorer. Prof. Giustino, som nyligen flyttade till University of Texas i Austin, där han innehar Moncrief-ordföranden för Quantum Materials Engineering, berättar för oss att nästa steg kommer att vara att genomföra en proof-of-concept experimentell realisering av den omvändningseffekt som observerats i detta senaste arbete.

"Vår samarbetspartner och medförfattare Prof. Jena från Cornell University är ledande inom design och tillverkning av nitridmaterial och -enheter, och hans grupp försöker tillverka GaN-prover med hög rörlighet, sa Giustino.

© 2019 Science X Network