Atualização do livro didático sobre polarização em nitreto de gálio para otimizar semicondutores de banda larga

Um modelo atualizado reconcilia a lacuna entre experimentos recentes e a teoria relativa à polarização em semicondutores wurtzita – abrindo caminho para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos menores, mais rápidos e mais eficientes, de acordo com um estudo recente realizado por pesquisadores da Universidade de Michigan.

Segundo semicondutor mais produzido, atrás apenas do silício, o nitreto de gálio já é amplamente utilizado em iluminação LED e em dispositivos eletrônicos de alta potência e alta frequência. Espera-se que o material transforme a próxima geração de telefones celulares e sistemas de comunicação, e a polarização sustenta o seu excelente desempenho eletrônico.

“Os semicondutores de nitreto de gálio já estão em toda parte em nossa vida diária e o impacto vai continuar a crescer”, disse Zetian Mi, professor de engenharia elétrica e de computação na UM e autor sênior do estudo publicado em Letras de Física Aplicada.

Aqui, a equipe de pesquisa se concentrou na estrutura cristalina de wurtzita do nitreto de gálio — a fase mais comumente usada para dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos. A formação de rede hexagonal do cristal não tem simetria de inversão, o que estimula a polarização espontânea e, quando a tensão mecânica é aplicada, conhecida como polarização piezoelétrica.

Ambos os tipos de polarização e, mais importante, o gradiente de polarização resultante na interface, podem ser aproveitados para otimizar as propriedades eletrônicas de dispositivos semicondutores.

Até recentemente, a polarização em nitreto de gálio e outros materiais de wurtzita era compreendida apenas por meio de modelagem teórica. Então, experimentos descobriram que a polarização espontânea é cerca de 10 vezes maior e na direção oposta, em comparação ao que a teoria anterior sugeria.

Uma estrutura de referência incorreta foi a raiz da grande discrepância entre teoria e experimentos. A teoria anterior usava mistura de zinco como estrutura de referência, mas quando substituída por uma estrutura de referência hexagonal, experimentos e teoria concordaram muito bem.

“A teoria anterior escolheu uma régua inadequada para medir a polarização, o que os levou a obter resultados incompletos. Ao encontrar a régua certa, o professor Chris Van de Walle, da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, obteve resultados teoricamente drasticamente diferentes em 2016, que agora são experimentalmente confirmado por nós, bem como por outros”, disse Danhao Wang, pesquisador em engenharia elétrica e de computação na UM e co-autor correspondente do estudo.

Os pesquisadores chegaram ao novo padrão examinando a literatura e correlacionando descobertas com estudos experimentais que mediram diretamente a ferroeletricidade — polarização espontânea que pode ser revertida quando um campo elétrico externo é aplicado — em semicondutores de nitreto III ferroelétricos monocristalinos.

Anteriormente, comunidades separadas de pesquisadores estudavam ferroeletricidade e materiais de III-nitreto — boro, alumínio, gálio ou índio combinados com nitrogênio — e projetavam aplicações para essas propriedades isoladamente. O grupo de pesquisa de Mi demonstrou recentemente, pela primeira vez, comutação ferroelétrica em semicondutores de nitreto monocristalino.

“Combinando a física e as propriedades dos materiais de nitreto III e da ferroeletricidade, podemos desenvolver a próxima geração de eletrônica e optoeletrônica com maior potência, capacidade e velocidade para melhor apoiar o nosso mundo”, disse Ding Wang, cientista assistente de pesquisa em eletricidade e computação. engenharia na UM e co-autor correspondente do estudo.

Esses estudos fornecem uma nova direção e visão para dispositivos eletrônicos ou optoeletrônicos baseados em nitreto de gálio.

“Além da eletrônica e da optoeletrônica, essa nova compreensão da polarização é um recurso importante para desenvolver novos materiais e dispositivos baseados em nitreto para futura catálise de energia limpa, bem como pesquisa e tecnologia quântica”, disse Mi.