การคำนวณหลักการแรกให้ความกระจ่างเกี่ยวกับข้อบกพร่องของเซมิคอนดักเตอร์

การคำนวณหลักการแรกให้ความกระจ่างเกี่ยวกับข้อบกพร่องของเซมิคอนดักเตอร์

แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) เป็นสารกึ่งตัวนำที่ชื่นชอบอันดับสองของโลก มีอยู่ในอุปกรณ์ต่างๆ ตั้งแต่ไดโอดเปล่งแสงและเครื่องตรวจจับแสง ไปจนถึงทรานซิสเตอร์เคลื่อนที่ด้วยอิเล็กตรอนที่อุณหภูมิสูง เมื่ออุปกรณ์เหล่านี้สัมผัสกับการฉายรังสีจากอนุภาคพลังงานสูง เช่น การสื่อสารผ่านดาวเทียม การบินและอวกาศ การป้องกันประเทศ และอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ อุปกรณ์เหล่านี้มักจะพัฒนาข้อบกพร่อง

ที่ทำให้คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ลดลง

นักวิจัยจากEast China Normal University ในเซี่ยงไฮ้และมหาวิทยาลัย Shanxi ในไท่หยวนได้ทำการศึกษาอย่างเป็นระบบครั้งแรกของคลาสของข้อบกพร่อง GaN ที่เรียกว่าคู่ข้อบกพร่อง โครงสร้างดังกล่าวได้รับการศึกษาเพียงเล็กน้อยจนถึงปัจจุบัน และนักวิจัยกล่าวว่าการทำความเข้าใจโครงสร้างเหล่านี้และกลไกที่ก่อให้เกิดสิ่งเหล่านี้อาจช่วยเพิ่มความต้านทานการแผ่รังสีของอุปกรณ์ที่ใช้ GaN

สำหรับอุปกรณ์ในวงโคจรโลกต่ำ รูปแบบรังสีที่สร้างความเสียหายได้บ่อยที่สุดคือโปรตอน อิเล็กตรอน และรังสีแกมมา ในบริบทของอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ หัวหน้าผู้กระทำผิดมักจะแผ่รังสีจากนิวตรอน อนุภาคพลังงานสูงเหล่านี้สามารถสร้างข้อบกพร่องมากมายใน GaN ได้ ซึ่งรวมถึงจุดบกพร่อง คู่ข้อบกพร่องและคอมเพล็กซ์ และบริเวณที่ไม่เป็นระเบียบในโครงตาข่ายเซมิคอนดักเตอร์ของวัสดุ เฉพาะ “ตระกูล” ที่มีจุดบกพร่องเพียงอย่างเดียวมีข้อบกพร่องหกประเภทย่อย ซึ่งเรียกว่าตำแหน่งงานว่าง ของ V Gaและ V Nไซต์ที่ต่อต้าน Ga Nและ N Ga และ โฆษณาคั่นระหว่างหน้า Ga iและ N i

21 คู่ข้อบกพร่องที่แตกต่างกัน

คุณสมบัติของจุดบกพร่องเหล่านี้ได้รับการศึกษาอย่างดีในช่วงสามทศวรรษที่ผ่านมา อย่างไรก็ตาม ข้อบกพร่องประเภทนี้ยังสามารถผูกมัดซึ่งกันและกันเพื่อสร้างข้อบกพร่องที่พบได้น้อย ซึ่งรวมถึงคู่ข้อบกพร่องแบบสองไซต์และคอมเพล็กซ์ข้อบกพร่องแบบหลายไซต์ โดยหลักการแล้ว สามารถสร้างคู่ข้อบกพร่องที่แตกต่างกัน 21 ประเภท โดยแต่ละคู่มีการกำหนดค่าโครงสร้างของตัวเอง

โชคดีสำหรับนักออกแบบอุปกรณ์ GaN คู่ข้อบกพร่องที่แปลกใหม่เหล่านี้มักต้องการพลังงานที่สูงกว่ามากในการสร้างมากกว่าข้อบกพร่องแบบจุดเดียว GaN ที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่มักจะมีความเข้มข้นต่ำเท่านั้น และด้วยเหตุนี้จึงมีการศึกษาคู่ข้อบกพร่องเพียงไม่กี่คู่ เช่น V Ga -V Nและ V Ga -Ga Nในทุกรายละเอียด

อย่างไรก็ตาม ในตัวอย่างที่ได้รับความเสียหายจากรังสี ความเข้มข้นของคู่ข้อบกพร่องที่มีพลังงานสูงอาจมีค่ามากกว่ามาก สิ่งนี้ทำให้Shiyou Chenและเพื่อนร่วมงานของเขาศึกษาคู่ข้อบกพร่องทั้งหมด 21 คู่ใน GaN ดำเนินการคำนวณหลักการแรกของโครงสร้าง พลังงานการก่อตัวของพวกมัน และระดับพลังงานการเปลี่ยนแปลง

ผลลัพธ์ของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าหลังจากอนุภาค

พลังงานสูงกระทบ GaN และก่อให้เกิด “น้ำตกการชนกัน” ที่ทำให้เกิดข้อบกพร่อง คู่ข้อบกพร่องที่ก่อตัวโดยทั่วไปจะมีเสถียรภาพ คู่ดังกล่าวถูกคั่นด้วยระยะทางสั้น ๆ และเก้าคู่มีพลังงานก่อตัวต่ำกว่า 10 eV ในแง่ของผลกระทบต่อคุณสมบัติของวัสดุ พวกเขาส่วนใหญ่ทำหน้าที่เป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอน ทำให้เกิดระดับข้อบกพร่องมากมายในช่องว่างแถบของ GaN และอาจบั่นทอนประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่ใช้ GaN

พารามิเตอร์พื้นฐานสำหรับการจำลองหลายสเกลในอนาคต

ในบรรดาคู่ข้อบกพร่องที่แตกต่างกัน นักวิจัยพบว่าคู่ที่ว่าง V N -V Nมีพลังงานการก่อตัวต่ำโดยเฉพาะอย่างยิ่ง และดังนั้นจึงสามารถผลิตได้ในความเข้มข้นสูงใน p-type และ Ga-rich GaN ความจริงข้อนี้ถูกมองข้ามในงานก่อนหน้านี้ เฉินกล่าว

ชอบน้ำหรือชอบน้ำ? แอโรแกลเลียมไนไตรด์เป็นทั้ง”พลังงานจากการก่อตัวของข้อบกพร่องและระดับพลังงานการเปลี่ยนแปลงที่เราคำนวณไว้จะเป็นพารามิเตอร์พื้นฐานสำหรับการจำลองหลายระดับในอนาคตของกระบวนการสร้างความเสียหายจากรังสีใน GaN” เขากล่าวกับPhysics World “แบบจำลองเหล่านี้อาจช่วยให้เราค้นพบวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการปรับปรุงความต้านทานรังสีของ GaN และเพิ่มอายุการใช้งานของอุปกรณ์ที่ทำจากเซมิคอนดักเตอร์นี้”

ในงานปัจจุบันซึ่งมีรายละเอียดอยู่ในJournal of Semiconductorsนักวิจัยได้พิจารณาเฉพาะคู่ข้อบกพร่องที่เกิดจากข้อบกพร่องภายในเท่านั้น พวกเขากล่าวว่าตอนนี้พวกเขากำลังตรวจสอบคู่และกลุ่มที่เกิดจากสารเจือปนที่แท้จริง (เช่น Mg, C, H และ O) และข้อบกพร่อง โครงสร้างสารเจือปนที่มีข้อบกพร่องเหล่านี้เกิดขึ้นตามธรรมชาติในตัวอย่าง GaN ที่ปลูกโดยใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การสะสมไอเคมีโลหะ – อินทรีย์ (MOCVD) และอีพิแทกซีของเฟสไอไฮไดรด์

ในงานวิจัยชิ้นใหม่ Machielse และเพื่อนร่วมงานได้สร้างหน่วยความจำโดยใช้ซิลิคอน vacancy center (Si-V) ในเพชร Si-V เป็นข้อบกพร่องที่เกิดขึ้นเมื่ออะตอมของคาร์บอนสองอะตอมในโครงตาข่ายเพชรถูกแทนที่ด้วยอะตอมซิลิกอนหนึ่งอะตอม ทำให้เกิดการหมุนควอนตัมที่แยกออกจากสิ่งแวดล้อมและสามารถวัดได้โดยใช้แสงเลเซอร์และคลื่นไมโครเวฟ

ทีมงานได้วาง Si-V ไว้ในโพรงนาโนโฟโตนิกที่อุณหภูมิเย็นจัด การหมุนของ Si-V สามารถพลิกได้โดยการดูดซับโฟตอนความยาวคลื่น 737 นาโนเมตร หากสถานะการหมุนของ Si-V ไม่เปลี่ยนแปลงหลังจากดูดซับโฟตอนสองโฟตอน ชาร์ลีรู้ว่าโฟตอนทั้งสองมีโพลาไรเซชันเหมือนกัน ถ้าสถานะถูกพลิก โพลาไรเซชันจะต้องตรงกันข้าม อย่างไรก็ตาม สิ่งที่สำคัญอย่างยิ่งคือ ชาร์ลีไม่รู้จักโพลาไรเซชันของโฟตอนทั้งสองแบบ