Una investigación dirigida por la Universidad de Nagoya en Japón ha revelado que una simple reacción térmica de nitruro de galio (GaN) con magnesio metálico (Mg) da como resultado una estructura superred distintiva. Esta representa la primera vez que los investigadores identifican la inserción de capas metálicas 2D en un semiconductor a granel. Al observar cuidadosamente el material a través de varias técnicas de caracterización avanzadas, los investigadores revelaron nuevos conocimientos sobre el dopaje de semiconductores y los procesos de ingeniería de deformación elástica. Publicaron sus hallazgos en la revista. La naturaleza.
GaN es un importante material semiconductor de banda prohibida preparado para reemplazar a los semiconductores de silicio tradicionales en aplicaciones que exigen altas densidades de potencia y altas frecuencias de funcionamiento. Estas propiedades únicas del GaN lo hacen valioso en dispositivos como LED, diodos láser y electrónica de potencia, incluidos componentes clave en vehículos eléctricos y cargadores rápidos. La mejora del rendimiento de los dispositivos basados en GaN contribuye a lograr una sociedad energéticamente eficiente y un futuro neutro en carbono.
En los semiconductores, existen dos tipos esenciales y complementarios de conductividad eléctrica: tipo p y tipo n. Un semiconductor de tipo p contiene principalmente portadores libres que llevan cargas positivas, llamados huecos, mientras que un semiconductor de tipo n conduce la electricidad a través de electrones libres.
Un semiconductor logra una conductividad de tipo p o de tipo n mediante un proceso llamado dopaje, que se refiere a la introducción deliberada de impurezas específicas (conocidas como dopantes) en un material semiconductor puro para que sus propiedades eléctricas y ópticas puedan modificarse en gran medida.
En el campo de los semiconductores GaN, el Mg es hasta ahora el único elemento conocido que produce conductividad de tipo p. A pesar de que han transcurrido 35 años desde el primer éxito del dopaje con Mg en GN, los mecanismos completos del dopaje con Mg en GaN, especialmente el límite de solubilidad y el comportamiento de segregación del Mg, siguen sin estar claros. Esta incertidumbre limita su optimización para la optoelectrónica y la electrónica.
Para mejorar la conductividad del GaN tipo p, Jia Wang, primer autor del estudio, y sus colegas llevaron a cabo un experimento en el que modelaron películas delgadas de Mg metálico depositadas en obleas de GaN y las calentaron a altas temperaturas, un proceso conocido como. recocido tradicional.
Utilizando imágenes de microscopio electrónico de última generación, los científicos observaron la formación espontánea de una superred caracterizada por capas alternas de GaN y Mg. Esto es particularmente inusual porque GaN y Mg son dos tipos de materiales con propiedades físicas significativamente diferentes.
“Aunque el GaN es un semiconductor de banda prohibida ancha con enlaces mixtos iónicos y covalentes, y el Mg es un metal con enlaces metálicos, estos dos materiales diferentes tienen la misma estructura cristalina y es sorprendentemente natural. “La diferencia entre el GaN hexagonal y el La red hexagonal de Mg es insignificante”, afirmó Wang. “Creemos que la combinación perfecta de red entre GaN y Mg reduce en gran medida la energía necesaria para formar la estructura, lo que contribuye a la formación espontánea de este tipo de superredes”.
Los investigadores determinaron que este comportamiento de intercalación único, al que denominaron intercalación intersticial, provoca tensión en el material huésped. Específicamente, descubrieron que GaN dopado con capas de Mg puede soportar altas presiones de más de 20 GPa, equivalentes a 200.000 veces la presión atmosférica, en comparación con las registradas en materiales de película delgada que crean la presión más apremiante. Esto es mucho mayor que la tensión de compresión que normalmente se encuentra en las películas de silicio (en el rango de 0,1 a 2 GPa). Esta tensión puede provocar que las películas delgadas electrónicas sufran cambios significativos en las propiedades electrónicas y magnéticas. Los investigadores descubrieron que la conductividad eléctrica en GaN mejoraba significativamente a lo largo de la dirección de la deformación mediante el transporte de agujeros.
“Utilizando un método tan simple y de bajo costo, pudimos aumentar el transporte de agujeros en GaN, que conduce altas corrientes”, dijo Wang. “Este interesante hallazgo en la interacción entre semiconductores y metales puede proporcionar nuevos conocimientos sobre el dopaje de semiconductores y mejorar el rendimiento de los dispositivos basados en GaN”.
