氮化镓的能带结构和迁移率的晶体场工程。(a)(b)分别是在双向拉伸和挤压时氮化镓的GW方法准粒子带结构的变化。能级已与导带底和价带顶对齐。(c)对于纤锌矿型结构氮化镓，在未变形以及在2%双向拉伸和2%双向挤压时，分别在Γ处的价带顶处的电子波函数。(d)晶体场分裂Δcf与应变的关系，以及(e)对应的300 K温度下空穴霍尔迁移率。（f）纤锌矿型结构氮化镓中随温度变化的空穴迁移率是双向应变的函数。 （图片来源：Poncé, Jena & Giustino）
氮化镓（GaN）是一种重要的材料，被广泛用于制造功率半导体元件和发光二极管（LEDs）。在过去，研究人员曾经探索过用氮化镓实现P沟道场效应管的可行性，这有助于研发性能更加卓越的计算机。
然而，至今为止，制造这种晶体管被证明是非常困难的，而其中的一个关键原因是氮化镓的低空穴迁移率。低空穴迁移率实质上指，在半导体被施加一个电场时，空穴（失去电子的原子）在半导体中运动的太慢。
牛津大学和康奈尔大学的研究人员最近进行了一项研究，研究了纤锌矿型结构的氮化镓的电子和空穴的固有声子限制迁移率。他们在《物理评论快报》概述了研究成果，表明通过反转晶体场分裂的现象，将分裂带空穴状态提升到轻空穴和重空穴之上，可以提高GaN的空穴迁移率。
参与该研究的研究人员之一Feliciano Giustino对Phys.org表示：“我们开发了基于量子力学基本方程的高性能计算工具来预测半导体材料的迁移率。”
在物理学中，载流子（例如电子和空穴）的迁移率被定义为在半导体的两端之间施加电压时时这些粒子移动的速度。迁移率是研究人员在设计电子和光电设备（包括用于制造智能手机微处理器的晶体管）时需要考虑的一个关键参数。
Giustino解释说：“高功率电子和无线通信中的关键问题之一是使用最广泛的材料氮化镓具有很高的电子迁移率，但是空穴迁移率却很低。”“由于这种不对称性，目前无法在现代电子设备的最基本电路元件，即互补金属氧化物半导体场效应晶体管（CMOS）中使用氮化镓。在我们的研究中，我们使用超级计算机设计了提高空穴迁移率的改性氮化镓材料。”
为了开展研究，Giustino和他的同事使用了高精度的计算机材料模拟技术，其中每个原子都是根据量子力学的基本定律描述的。构成他们研究基础的理论依赖于密度泛函理论（DFT），并应用了统计力学的一般概念，例如玻耳兹曼方程。通过将这些理论与大规模并行超级计算机相结合，研究人员能够以极高的精度预测半导体的迁移率。
Giustino解释说：“在我们的研究方法中，我们不使用任何经验参数，我们仅指定材料中的原子种类（本次试验为镓和氮）。”“该方法已在我们的开源软件项目EPW中实现，该软件向所有人开放。”
这项由Samuel Poncé博士，Debdeep Jena教授和Giustino教授共同开展的研究收集到了一些有趣的观察结果。首先，研究人员发现，通过对厚度约为10-30 nm的GaN膜施加2％的双向拉伸应变，可以将半导体的空穴迁移率提高近250％。
Giustino说：“这种增强足以实现曾经一直困扰人们的基于氮化镓的CMOS。” “在一个更基本的层面上，我们发现了一种我们称之为“晶体场分裂的反转”的现象，这种现象非常有趣，因为它是由应变状态下氮化镓中量子态的小规模重新排列引起的。”
将来，这组研究人员收集的观察结果可能会为基于氮化镓的CMOS晶体管的制造铺平道路。Giustino教授最近搬到德克萨斯大学奥斯汀分校，在那里他担任Moncrief量子材料工程系主任。他告诉我们，下一步将进行对在最近的研究中观察到的反转效应做概念验证的实验。
“我们的同事和共同作者，来自康奈尔大学的Jena教授是氮化物材料和器件设计和制造的领导者，他的团队正在尝试制造高迁移率的氮化镓样品，”Giustino说。
作者：Ingrid Fadelli
翻译：朱奕宁
审校：罗广桢
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