Aktualisierung des Lehrbuchs zur Polarisation in Galliumnitrid zur Optimierung von Halbleitern mit großem Bandabstand

Ein aktualisiertes Modell schließt die Lücke zwischen jüngsten Experimenten und der Theorie bezüglich der Polarisation in Wurtzit-Halbleitern – und ebnet laut einer aktuellen Studie von Forschern der University of Michigan den Weg für die Entwicklung kleinerer, schnellerer und effizienterer elektronischer Geräte.

Galliumnitrid ist nach Silizium der am zweithäufigsten produzierte Halbleiter und wird bereits häufig in LED-Beleuchtung und elektronischen Hochleistungsgeräten mit hoher Frequenz eingesetzt. Das Material wird voraussichtlich die nächste Generation von Mobiltelefonen und Kommunikationssystemen verändern, und seine herausragende elektronische Leistung beruht auf der Polarisation.

„Galliumnitrid-Halbleiter sind in unserem täglichen Leben bereits allgegenwärtig und ihre Bedeutung wird weiter zunehmen“, sagte Zetian Mi, Professor für Elektro- und Computertechnik an der UM und leitender Autor der Studie. veröffentlicht In Angewandte Physik Briefe.

Hier konzentrierte sich das Forschungsteam auf die Wurtzit-Kristallstruktur von Galliumnitrid – die am häufigsten verwendete Phase für elektronische und optoelektronische Geräte. Die hexagonale Gitterstruktur des Kristalls weist keine Inversionssymmetrie auf, was zu einer spontanen Polarisation führt und bei mechanischer Belastung als piezoelektrische Polarisation bezeichnet wird.

Beide Polarisationsarten und, noch wichtiger, der daraus resultierende Polarisationsgradient an der Schnittstelle können genutzt werden, um die elektronischen Eigenschaften von Halbleiterbauelementen zu optimieren.

Bis vor kurzem konnte man die Polarisation in Galliumnitrid und anderen Wurtzit-Materialien nur durch theoretische Modelle verstehen. Doch dann zeigten Experimente, dass die spontane Polarisation etwa zehnmal größer ist und in die entgegengesetzte Richtung verläuft als bisherige Theorien vermuten ließen.

Eine falsche Referenzstruktur war die Ursache für die große Diskrepanz zwischen Theorie und Experimenten. Die bisherige Theorie verwendete eine Zinkmischung als Referenzstruktur, aber als sie durch eine hexagonale Referenzstruktur ersetzt wurde, stimmten Experimente und Theorie sehr gut überein.

„Frühere Theorien wählten ein ungeeignetes Lineal zur Messung der Polarisation, was zu unvollständigen Ergebnissen führte. Durch die Suche nach dem richtigen Lineal gelang es Professor Chris Van de Walle von der University of California Santa Barbara, 2016 wurden theoretisch völlig andere Ergebnisse erzieltdie nun von uns und anderen experimentell bestätigt wurden“, sagte Danhao Wang, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter für Elektro- und Computertechnik an der UM und Co-Autor der Studie.

Die Forscher gelangten zu dem neuen Standard, indem sie die Literatur durchforsteten und die Ergebnisse mit experimentellen Studien korrelierten, bei denen die Ferroelektrizität – eine spontane Polarisation, die sich durch Anlegen eines äußeren elektrischen Felds umkehren kann – in einkristallinen Ferroelektrische III-Nitrid-Halbleiter.

Bisher untersuchten verschiedene Forschergruppen Ferroelektrizität und III-Nitrid-Materialien – Bor, Aluminium, Gallium oder Indium kombiniert mit Stickstoff – und entwickelten isolierte Anwendungen für diese Eigenschaften. Mi’s Forschungsgruppe demonstrierte kürzlich erstmals ferroelektrisches Schalten in einkristallinen Nitridhalbleitern.

„Indem wir die Physik und Eigenschaften von III-Nitrid-Materialien und Ferroelektrizität kombinieren, können wir die nächste Generation von Elektronik und Optoelektronik mit höherer Leistung, Kapazität und Geschwindigkeit entwickeln, um unsere Welt besser zu unterstützen“, sagte Ding Wang, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter für Elektro- und Computertechnik an der UM und Co-Autor der Studie.

Diese Studien bieten neue Richtungen und Erkenntnisse für elektronische oder optoelektronische Geräte auf Galliumnitridbasis.

„Über die Elektronik und Optoelektronik hinaus ist dieses neue Verständnis der Polarisation eine wichtige Ressource für die Entwicklung neuartiger Materialien und Geräte auf Nitridbasis für die Katalyse sauberer Energie der Zukunft sowie für die Quantenforschung und -technologie“, sagte Mi.