研究揭示一種實現氮化鎵高空穴遷移率的途徑

2020-12-06 中國科學技術館

氮化鎵的能帶結構和遷移率的晶體場工程。(a)(b)分別是在雙向拉伸和擠壓時氮化鎵的GW方法準粒子帶結構的變化。能級已與導帶底和價帶頂對齊。(c)對於纖鋅礦型結構氮化鎵，在未變形以及在2%雙向拉伸和2%雙向擠壓時，分別在Γ處的價帶頂處的電子波函數。(d)晶體場分裂Δcf與應變的關係，以及(e)對應的300 K溫度下空穴霍爾遷移率。（f）纖鋅礦型結構氮化鎵中隨溫度變化的空穴遷移率是雙向應變的函數。 （圖片來源：Poncé, Jena & Giustino）

 

氮化鎵（GaN）是一種重要的材料，被廣泛用於製造功率半導體元件和發光二極體（LEDs）。在過去，研究人員曾經探索過用氮化鎵實現P溝道場效應管的可行性，這有助於研發性能更加卓越的計算機。

然而，至今為止，製造這種電晶體被證明是非常困難的，而其中的一個關鍵原因是氮化鎵的低空穴遷移率。低空穴遷移率實質上指，在半導體被施加一個電場時，空穴（失去電子的原子）在半導體中運動的太慢。

牛津大學和康奈爾大學的研究人員最近進行了一項研究，研究了纖鋅礦型結構的氮化鎵的電子和空穴的固有聲子限制遷移率。他們在《物理評論快報》概述了研究成果，表明通過反轉晶體場分裂的現象，將分裂帶空穴狀態提升到輕空穴和重空穴之上，可以提高GaN的空穴遷移率。

參與該研究的研究人員之一Feliciano Giustino對Phys.org表示：「我們開發了基於量子力學基本方程的高性能計算工具來預測半導體材料的遷移率。」

在物理學中，載流子（例如電子和空穴）的遷移率被定義為在半導體的兩端之間施加電壓時時這些粒子移動的速度。遷移率是研究人員在設計電子和光電設備（包括用於製造智慧型手機微處理器的電晶體）時需要考慮的一個關鍵參數。

Giustino解釋說：「高功率電子和無線通信中的關鍵問題之一是使用最廣泛的材料氮化鎵具有很高的電子遷移率，但是空穴遷移率卻很低。」「由於這種不對稱性，目前無法在現代電子設備的最基本電路元件，即互補金屬氧化物半導體場效應電晶體（CMOS）中使用氮化鎵。在我們的研究中，我們使用超級計算機設計了提高空穴遷移率的改性氮化鎵材料。」

為了開展研究，Giustino和他的同事使用了高精度的計算機材料模擬技術，其中每個原子都是根據量子力學的基本定律描述的。構成他們研究基礎的理論依賴於密度泛函理論（DFT），並應用了統計力學的一般概念，例如玻耳茲曼方程。通過將這些理論與大規模並行超級計算機相結合，研究人員能夠以極高的精度預測半導體的遷移率。

Giustino解釋說：「在我們的研究方法中，我們不使用任何經驗參數，我們僅指定材料中的原子種類（本次試驗為鎵和氮）。」「該方法已在我們的開源軟體項目EPW中實現，該軟體向所有人開放。」

這項由Samuel Poncé博士，Debdeep Jena教授和Giustino教授共同開展的研究收集到了一些有趣的觀察結果。首先，研究人員發現，通過對厚度約為10-30 nm的GaN膜施加2％的雙向拉伸應變，可以將半導體的空穴遷移率提高近250％。

Giustino說：「這種增強足以實現曾經一直困擾人們的基於氮化鎵的CMOS。」 「在一個更基本的層面上，我們發現了一種我們稱之為「晶體場分裂的反轉」的現象，這種現象非常有趣，因為它是由應變狀態下氮化鎵中量子態的小規模重新排列引起的。」

將來，這組研究人員收集的觀察結果可能會為基於氮化鎵的CMOS電晶體的製造鋪平道路。Giustino教授最近搬到德克薩斯大學奧斯汀分校，在那裡他擔任Moncrief量子材料工程系主任。他告訴我們，下一步將進行對在最近的研究中觀察到的反轉效應做概念驗證的實驗。

「我們的同事和共同作者，來自康奈爾大學的Jena教授是氮化物材料和器件設計和製造的領導者，他的團隊正在嘗試製造高遷移率的氮化鎵樣品，」Giustino說。

 

 

作者：Ingrid Fadelli

引進連結：https://phys.org/news/2019-09-unveils-route-high-hole-mobility.html

翻譯：朱奕寧

審校：羅廣楨

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