根据密歇根大学研究人员最近的一项研究，更新的模型调和了最近的实验和有关纤锌矿半导体极化的理论之间的差距——为开发更小、更快、更高效的电子设备铺平了道路。
氮化镓是产量仅次于硅的第二大半导体，已广泛应用于 LED 照明和高功率、高频电子设备。该材料有望改变下一代手机和通信系统，而极化是其出色电子性能的基础。
密歇根大学电气与计算机工程系教授、 《应用物理快报》上发表研究报告的高级作者米泽天表示：“氮化镓半导体已经遍布于我们日常生活的各处，其影响还将继续增长。”
在此，研究团队专注于氮化镓的纤锌矿晶体结构——电子和光电器件中最常用的相。晶体的六方晶格结构缺乏反演对称性，这会引起自发极化，当施加机械应变时，就会发生压电极化。
这两种类型的极化，更重要的是，在界面处产生的极化梯度，都可以用来优化半导体器件的电子特性。
直到最近，氮化镓和其他纤锌矿材料的极化才通过理论建模得以理解。后来，实验发现，自发极化比之前的理论预测的要大 10 倍左右，而且方向相反。
在 TMAH 中蚀刻后，在 M 极性 GaN 上生长 100 nm ScAlN。首先用不同的电压对电容器进行极化，然后用 HF 去除电极，然后进行 TMAH 蚀刻以检查其相应的极性。用正电压极化后的区域被蚀刻，表明这些区域是 N 极性的。
错误的参考结构是导致理论与实验结果相差巨大的根源。以前的理论使用锌合金作为参考结构，但当将其替换为六边形参考结构时，实验结果与理论结果非常吻合。
“过去的理论选择了不合适的标尺来测量极化，这导致他们获得不完整的结果。通过找到正确的标尺，加州大学圣巴巴拉分校的 Chris Van de Walle 教授在 2016 年从理论上获得了截然不同的结果，现在我们和其他人都通过实验证实了这一结果，”密歇根大学电气与计算机工程研究员、这项研究的共同通讯作者 Danhao Wang 表示。
研究人员通过筛选文献并将研究结果与直接测量单晶铁电 III 族氮化物半导体中的铁电性（施加外部电场时可以逆转的自发极化）的实验研究进行关联，得出了新标准。
此前，不同的研究团体分别研究铁电性和 III 族氮化物材料（硼、铝、镓或铟与氮的结合），并针对这些特性单独设计应用。Mi 的研究小组最近首次展示了单晶氮化物半导体中的铁电开关。
密歇根大学电气与计算工程助理研究员、该研究的共同通讯作者王丁表示：“结合 III 族氮化物材料和铁电性的物理和特性，我们可以开发出具有更高功率、容量和速度的下一代电子和光电子技术，以更好地支持我们的世界。”
这些研究为氮化镓基电子或光电子器件提供了新的方向和见解。
米教授表示：“除了电子学和光电子学之外，对极化的这种新认识是开发新型氮化物基材料和器件的重要资源，可用于未来的清洁能源催化以及量子研究和技术。”
发表于 2024-7-6 15:09:54