L’évolution du concept traditionnel de polarisation vers l’utilisation de la théorie moderne de polarisation (MTP) dans le calcul des constantes de polarisation dans les nitrures III, mettant en évidence la validation de l’utilisation de la structure hexagonale en couches comme référence par des résultats expérimentaux récents, qui remettent en question les croyances conventionnelles sur la polarisation spontanée dans les semi-conducteurs wurtzites. Crédit : Wang et al., 2024.
Un modèle mis à jour comble le fossé entre les expériences récentes et la théorie concernant la polarisation dans les semi-conducteurs wurtzites, ouvrant la voie au développement de dispositifs électroniques plus petits, plus rapides et plus efficaces, selon une étude récente menée par des chercheurs de l’Université du Michigan.
Deuxième semi-conducteur le plus produit derrière le silicium, le nitrure de gallium est déjà largement utilisé dans l’éclairage LED et les appareils électroniques haute puissance et haute fréquence. Ce matériau devrait transformer la prochaine génération de téléphones portables et de systèmes de communication, et la polarisation est à la base de ses performances électroniques exceptionnelles.
“Les semi-conducteurs au nitrure de gallium sont déjà partout dans notre vie quotidienne et leur impact va continuer à croître”, a déclaré Zetian Mi, professeur de génie électrique et informatique à l’UM et auteur principal de l’étude publiée dans Lettres de physique appliquée.
Ici, l’équipe de recherche s’est concentrée sur la structure cristalline de wurtzite du nitrure de gallium, la phase la plus couramment utilisée pour les dispositifs électroniques et optoélectroniques. La formation du réseau hexagonal du cristal manque de symétrie d’inversion, ce qui provoque une polarisation spontanée et, lorsqu’une contrainte mécanique est appliquée, une polarisation piézoélectrique.
Les deux types de polarisation, et plus important encore, le gradient de polarisation qui en résulte à l’interface, peuvent être exploités pour optimiser les propriétés électroniques des dispositifs semi-conducteurs.
Jusqu’à récemment, la polarisation dans le nitrure de gallium et d’autres matériaux wurtzites n’était comprise que grâce à une modélisation théorique. Ensuite, des expériences ont montré que la polarisation spontanée est environ 10 fois plus grande et dans la direction opposée par rapport à ce que suggérait la théorie précédente.
ScAlN à 100 nm cultivé sur GaN polaire M après gravure dans TMAH. Les condensateurs ont d’abord été polarisés par différentes tensions et les électrodes ont été retirées par HF puis soumises à une gravure TMAH pour examiner leur polarité correspondante. Les régions après polarisation par tension positive ont été gravées, ce qui suggère que ces régions sont N-polaires. Crédit: Lettres de physique appliquée (2024). DOI : 10.1063/5.0212653
Une structure de référence incorrecte était à l’origine de l’écart important entre la théorie et l’expérience. La théorie précédente utilisait un mélange de zinc comme structure de référence, mais lorsqu’elle est remplacée par une structure de référence hexagonale, les expériences et la théorie concordaient très bien.
“La théorie passée a choisi une règle inadéquate pour mesurer la polarisation, ce qui les a conduits à obtenir des résultats incomplets. En trouvant la bonne règle, le professeur Chris Van de Walle de l’Université de Californie à Santa Barbara a obtenu théoriquement en 2016 des résultats radicalement différents, qui sont maintenant expérimentalement confirmé par nous, ainsi que par d’autres”, a déclaré Danhao Wang, chercheur en génie électrique et informatique à l’UM et co-auteur correspondant de l’étude.
Les chercheurs sont arrivés à cette nouvelle norme en parcourant la littérature et en corrélant les résultats avec des études expérimentales qui mesuraient directement la ferroélectricité (polarisation spontanée qui peut être inversée lorsqu’un champ électrique externe est appliqué) dans des semi-conducteurs monocristallins ferroélectriques au nitrure III.
Auparavant, des groupes de chercheurs distincts étudiaient la ferroélectricité et les matériaux à base de nitrure III (bore, aluminium, gallium ou indium combinés à de l’azote) et concevaient des applications pour ces propriétés de manière isolée. Le groupe de recherche de Mi a récemment démontré, pour la première fois, la commutation ferroélectrique dans des semi-conducteurs à base de nitrure monocristallin.
“En combinant la physique et les propriétés des matériaux de nitrure III et de la ferroélectricité, nous pouvons développer la prochaine génération d’électronique et d’optoélectronique avec une puissance, une capacité et une vitesse plus élevées pour mieux soutenir notre monde”, a déclaré Ding Wang, chercheur adjoint en électricité et informatique. ingénierie à l’UM et auteur co-correspondant de l’étude.
Ces études ouvrent de nouvelles perspectives et orientations pour les dispositifs électroniques ou optoélectroniques à base de nitrure de gallium.
“Au-delà de l’électronique et de l’optoélectronique, cette nouvelle compréhension de la polarisation constitue une ressource importante pour développer de nouveaux matériaux et dispositifs à base de nitrure pour la future catalyse d’énergie propre ainsi que pour la recherche et la technologie quantiques”, a déclaré Mi.
Plus d’information:
Ding Wang et al, Repenser la polarisation dans les semi-conducteurs wurtzites, Lettres de physique appliquée (2024). DOI : 10.1063/5.0212653
Fourni par le Collège d’ingénierie de l’Université du Michigan
Citation:Mise à jour du manuel sur la polarisation dans le nitrure de gallium pour optimiser les semi-conducteurs à large bande interdite (2024, 28 juin) récupéré le 28 juin 2024 à partir de
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