Nová metoda spojování vrstev polovodičů o tloušťce pouhých několika nanometrů vedla nejen k vědeckému objevu, ale také k novému typu tranzistoru pro vysoce výkonná elektronická zařízení. Výsledek, publikovaný v časopise Applied Physics Letters, vzbudil obrovský zájem.
Tento úspěch je výsledkem úzké spolupráce mezi vědci z Linköpingské univerzity a společností SweGaN, která vznikla z výzkumu materiálových věd na LiU. Společnost vyrábí elektronické součástky na míru z nitridu galia.
Nitrid galia, GaN, je polovodič používaný pro výrobu účinných světelných diod. Může však být užitečný i v jiných aplikacích, například v tranzistorech, protože odolává vyšším teplotám a proudovým silám než mnoho jiných polovodičů. To jsou důležité vlastnosti pro budoucí elektronické součástky, a to zejména pro ty, které se používají v elektrických vozidlech.
Páry nitridu galia se nechají kondenzovat na destičce karbidu křemíku a vytvoří tenký povlak. Metoda, při které se jeden krystalický materiál pěstuje na substrátu jiného, se nazývá „epitaxe“. Tato metoda se často používá v polovodičovém průmyslu, protože poskytuje velkou volnost při určování jak krystalové struktury, tak chemického složení vytvořeného nanometrového filmu.
Kombinace nitridu galia (GaN) a karbidu křemíku (SiC) (oba materiály odolávají silným elektrickým polím) zajišťuje, že obvody jsou vhodné pro aplikace, kde jsou potřeba vysoké výkony.
Povrchové spojení dvou krystalických materiálů, nitridu galia a karbidu křemíku, je však špatné. Atomy se nakonec vzájemně neshodují, což vede k selhání tranzistoru. Tento problém byl vyřešen výzkumem, který následně vedl ke komerčnímu řešení, ve kterém byla mezi obě vrstvy umístěna ještě tenčí vrstva nitridu hliníku.
Inženýři ve společnosti SweGaN si náhodou všimli, že jejich tranzistory si dokážou poradit s výrazně vyššími intenzitami pole, než očekávali, a zpočátku nechápali proč. Odpověď lze nalézt na atomové úrovni – v několika kritických mezilehlých površích uvnitř součástek.
Výzkumníci z LiU a SweGaN, vedeni Larsem Hultmanem a Jun Luem z LiU, prezentují v časopise Applied Physics Letters vysvětlení tohoto jevu a popisují metodu výroby tranzistorů s ještě větší schopností odolávat vysokým napětím.
Vědci objevili dosud neznámý mechanismus epitaxního růstu, který nazvali „transmorfní epitaxní růst“. Způsobuje, že napětí mezi různými vrstvami je postupně absorbováno přes několik vrstev atomů. To znamená, že mohou pěstovat dvě vrstvy, nitrid galia a nitrid hliníku, na karbidu křemíku tak, aby na atomární úrovni kontrolovali, jak jsou vrstvy v materiálu vzájemně propojeny. V laboratoři prokázali, že materiál odolává vysokému napětí až do 1800 V. Pokud by takové napětí bylo umístěno na klasickou součástku na bázi křemíku, začaly by létat jiskry a tranzistor by se zničil.
„Blahopřejeme společnosti SweGaN k zahájení prodeje vynálezu. Ukazuje to efektivní spolupráci a využití výsledků výzkumu ve společnosti. Díky úzkému kontaktu, který máme s našimi předchozími kolegy, kteří nyní pro společnost pracují, má náš výzkum rychlý dopad i mimo akademický svět,“ říká Lars Hultman.
Materiály poskytla Univerzita v Linköpingu. Originál napsala Monica Westman Svenselius. Poznámka: Obsah může být upraven z hlediska stylu a délky.
Získejte nejnovější vědecké zprávy s bezplatnými e-mailovými zpravodaji ScienceDaily, aktualizovanými denně a týdně. Nebo si prohlédněte hodinově aktualizované zpravodajské kanály ve své čtečce RSS:
Sdělte nám svůj názor na ScienceDaily – vítáme pozitivní i negativní komentáře. Máte nějaké problémy s používáním webu? Máte otázky?
Čas zveřejnění: 11. května 2020