Mise à jour du manuel sur la polarisation dans le nitrure de gallium pour optimiser les semi-conducteurs à large bande interdite

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 après 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 sous-tend 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.

L’équipe de recherche s’est concentrée sur la structure cristalline wurtzite du nitrure de gallium, la phase la plus couramment utilisée pour les dispositifs électroniques et optoélectroniques. La formation du réseau hexagonal du cristal ne présente pas de symétrie d’inversion, ce qui entraîne une polarisation spontanée et, lorsqu’une contrainte mécanique est appliquée, une polarisation dite 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.

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 des résultats théoriques radicalement différents en 2016, qui sont maintenant confirmés expérimentalement 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 communautés distinctes de chercheurs étudiaient la ferroélectricité et les matériaux de type nitrure III (bore, aluminium, gallium ou indium combinés à 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 les semi-conducteurs au 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 est une ressource importante pour développer de nouveaux matériaux et dispositifs à base de nitrure pour la future catalyse de l’énergie propre ainsi que pour la recherche et la technologie quantiques », a déclaré Mi.