Un recente articolo pubblicato su Applied Physics Let­ters [1] esplora il ruolo critico della polarizzazione nei semiconduttori nitruri wurtzite, evidenziando recenti scoperte che mettono in discussione i modelli teorici esistenti e ne richiedono un’approfondita rivalutazione.

Intoduzione

La fisica e l’utilità del nitruro di gallio (GaN), attualmente il secondo materiale semiconduttore maggiormente prodotto dopo il silicio 1, si basano sulla polarizzazione che deriva dal suo reticolo wurtzite non centrosimmetrico. Recenti osservazioni sperimentali dirette hanno rivelato una polarizzazione rimanente di entità sorprendentemente grande e con orientamenti opposti a quelli normalmente ipotizzati.

Questa differenza sostanziale sottolinea la necessità di un’attenta riconsiderazione e di un miglioramento dei metodi utilizzati per incorporare queste nuove scoperte con le conoscenze esistenti, riducendo il rischio di incomprensioni e malintesi in questo campo in rapida evoluzione.

I nitruri del gruppo III (GaN, AlN, InN e relative leghe) sono stati oggetto di una ricerca sostanziale negli ultimi anni in diversi settori come l’elettronica, l’optoe­lettronica, la piezoelettronica, la fotonica quantistica e l’energia pulita. I nitruri III possiedono una fase wurtzite stabile che manca di un centro di simmetria.

La mancanza di equivalenza tra il legame lungo l’asse c e le componenti degli altri tre legami causa l’esistenza di un dipolo elettrico all’interno della struttura. Questo dipolo porta a una significativa polarizza­zione spontanea e piezoelettrica nella di­rezione c, che è cruciale nel determinare le caratteristiche ottiche ed elettriche dei nitruri wurtzite.

Teoria moderna della polarizzazione (MTP)

La moderna teoria della polarizzazione (MTP) ha fornito un’interpretazione quan­titativa e una modellazione dei fenomeni di polarizzazione nelle eterostrutture di nitruri. Utilizzando come riferimento la struttura della zincoblenda (ZB), Bernardi­ni et al. hanno calcolato per la prima volta le costanti di polarizzazione nei nitruri del gruppo III. I risultati ottenuti con il meto­do MTP hanno attirato l’attenzione di tut­to il mondo e sono stati molto apprezzati nei libri di testo, rappresentando un otti­mo esempio di collegamento tra concetti teorici e risultati sperimentali.

Tuttavia, diversi gruppi di ricerca hanno recentemente condotto misure sperimen­tali della polarizzazione nei semicondutto­ri nitruri wurtzite. Incorporando elementi di terre rare (ferroelettrici) nella struttura wurtzite (Figura 1), la barriera energetica per la commutazione di polarità dimi­nuisce notevolmente, consentendo la de­terminazione sperimentale iniziale della polarizzazione spontanea nei semicondut­tori wurtzite.

Figura 1 – I due diversi approcci alla misurazione della polarizzazione dei nitruri del gruppo III (Fonte: 1).

Sorprendentemente, la polarizzazione spontanea misurata si orienta in modo opposto e di un ordine di grandezza su­periore rispetto alle previsioni della MPT.

Questi risultati sono stati ulteriormente convalidati dalla microscopia elettronica a scansione e trasmissione (STEM), dalla microscopia a forza piezoelettrica (PFM), dal wet-etching e dai calcoli della teoria della funzione di densità (DFT).

Il quadro teorico e lo sviluppo di dispositi­vi sono entrambi significativamente messi in discussione da queste discrepanze fon­damentali, che sconvolgono profondamen­te la nostra comprensione fondamentale della polarizzazione in questi materiali. Per questo motivo, è essenziale rivalutare il quadro teorico dei fenomeni di polarizza­zione nei semiconduttori wurtziti.

Misura diretta della polarizzazione con riferimento esagonale stratificato

La ricerca 1 si propone di analizzare criti­camente i fenomeni di polarizzazione nei semiconduttori wurtziti per chiarire ogni potenziale errore nelle teorie e negli espe­rimenti esistenti. Un approccio alternativo prevede l’utilizzo di una struttura esagona­le stratificata come riferimento.

La struttura wurtzite è definita da un retico­lo esagonale di Bravais contenente quattro atomi in ogni cella unitaria. Per compren­dere chiaramente la polarizzazione nella struttura wurtzite, nel corso della storia è stato spesso utilizzato come riferimento un tetraedro. In un tetraedro perfetto, i vettori di polarizzazione si annullano a vicenda.

Nella struttura wurtzite del nitruro III, l’atomo centrale non è posizionato con precisione nel centro tetraedrico. Ciò de­termina una polarizzazione elettrica lungo l’asse c, nota come polarizzazione sponta­nea, che non è uguale a zero. Se sottoposti a una deformazione uniforme all’interno dello stesso piano, i vettori di polarizza­zione combinati cambiano, dando luogo a una polarizzazione lungo la direzione c, definita polarizzazione piezoelettrica.

I risultati sperimentali ottenuti con misu­re dirette (vedi lato destro della figura 1)
non erano allineati con le previsioni of­ferte dalla teoria convenzionale (MTP). Gli autori della ricerca1 hanno proposto un esagono stratificato come struttura stan­dard di riferimento.

Questo nuovo modello offre vantaggi di­stinti, in quanto i calcoli basati sulla strut­tura esagonale stratificata si allineano mag­giormente ai risultati sperimentali. Ciò suggerisce che l’adozione del riferimento all’esagono stratificato potrebbe portare a una comprensione più accurata e comple­ta della polarizzazione nei nitruri wurtzite.

Questi progressi evidenziano la validità dell’utilizzo della struttura esagonale stra­tificata come riferimento standard e richie­dono un ripensamento critico della pola­rizzazione nei semiconduttori wurtzite.

Implicazioni e sviluppi future

La comprensione aggiornata della pola­rizzazione richiede una rivalutazione dei fenomeni chiave nei dispositivi al nitruro, tra cui il comportamento dei gas carrier bi­dimensionali (2DCG) e l’impatto dei campi elettrici interni. Ulteriori ricerche sono es­senziali per esplorare l’influenza della po­larizzazione nelle eterostrutture rilassate e per studiare il potenziale delle tecniche di caratterizzazione non elettriche.

Il nuovo quadro sottolinea anche il ruolo significativo degli effetti piezoelettrici nel­la formazione dei gas di elettroni bidimen­sionali (2DEG), che potrebbero rivelarsi più critici rispetto al ruolo precedentemente ipotizzato della polarizzazione sponta­nea. Inoltre, la stabilità e la robustezza dei 2DEG nei sistemi di nitruro richiedono ul­teriori approfondimenti.

Considerazioni conclusive

I recenti progressi nella misurazione del­la polarizzazione nei nitruri wurtzite ren­dono necessario un cambiamento fonda­mentale nella comprensione di questo fenomeno. Questo cambiamento non solo migliorerà il quadro teorico, ma anche i principi di progettazione e le funzionalità di un’ampia gamma di dispositivi basati sui nitruri, aprendo la strada a future in­novazioni nel settore.

[1] Ding Wang, Danhao Wang, Samuel Yang, Zetian Mi, “Rethinking Polarization in Wurtzite Semiconductors”, Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica, Università del Michigan, Ann Arbor, 48109, USA.

Maurizio Di Paolo Emilio Editor