Μια νέα μέθοδος για την τοποθέτηση στρωμάτων ημιαγωγών πάχους λίγων νανομέτρων οδήγησε όχι μόνο σε μια επιστημονική ανακάλυψη αλλά και σε έναν νέο τύπο τρανζίστορ για ηλεκτρονικές συσκευές υψηλής ισχύος. Το αποτέλεσμα, που δημοσιεύτηκε στο Applied Physics Letters, έχει προκαλέσει τεράστιο ενδιαφέρον.
Το επίτευγμα είναι αποτέλεσμα στενής συνεργασίας μεταξύ επιστημόνων στο Πανεπιστήμιο Linköping και της SweGaN, μιας εταιρείας spin-off από την έρευνα επιστήμης υλικών στο LiU. Η εταιρεία κατασκευάζει προσαρμοσμένα ηλεκτρονικά εξαρτήματα από νιτρίδιο του γαλλίου.
Το νιτρίδιο του γαλλίου, GaN, είναι ένας ημιαγωγός που χρησιμοποιείται για αποδοτικές διόδους εκπομπής φωτός. Μπορεί, ωστόσο, να είναι χρήσιμο και σε άλλες εφαρμογές, όπως τα τρανζίστορ, καθώς μπορεί να αντέξει υψηλότερες θερμοκρασίες και εντάσεις ρεύματος από πολλούς άλλους ημιαγωγούς. Αυτές είναι σημαντικές ιδιότητες για τα μελλοντικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα, και όχι μόνο για αυτά που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικά οχήματα.
Ατμός νιτριδίου του γαλλίου αφήνεται να συμπυκνωθεί σε μια πλάκα καρβιδίου του πυριτίου, σχηματίζοντας μια λεπτή επίστρωση. Η μέθοδος κατά την οποία ένα κρυσταλλικό υλικό αναπτύσσεται σε ένα υπόστρωμα ενός άλλου είναι γνωστή ως «επιταξία». Η μέθοδος χρησιμοποιείται συχνά στη βιομηχανία ημιαγωγών, καθώς παρέχει μεγάλη ελευθερία στον προσδιορισμό τόσο της κρυσταλλικής δομής όσο και της χημικής σύνθεσης της νανομετρικής μεμβράνης που σχηματίζεται.
Ο συνδυασμός νιτριδίου του γαλλίου, GaN, και καρβιδίου του πυριτίου, SiC (και τα δύο μπορούν να αντέξουν ισχυρά ηλεκτρικά πεδία), διασφαλίζει ότι τα κυκλώματα είναι κατάλληλα για εφαρμογές στις οποίες απαιτούνται υψηλές ισχύς.
Η εφαρμογή στην επιφάνεια μεταξύ των δύο κρυσταλλικών υλικών, του νιτριδίου του γαλλίου και του καρβιδίου του πυριτίου, είναι, ωστόσο, κακή. Τα άτομα καταλήγουν να μην ταιριάζουν μεταξύ τους, γεγονός που οδηγεί σε βλάβη του τρανζίστορ. Αυτό έχει αντιμετωπιστεί με έρευνα, η οποία στη συνέχεια οδήγησε σε μια εμπορική λύση, στην οποία ένα ακόμη λεπτότερο στρώμα νιτριδίου του αργιλίου τοποθετήθηκε μεταξύ των δύο στρωμάτων.
Οι μηχανικοί της SweGaN παρατήρησαν τυχαία ότι τα τρανζίστορ τους μπορούσαν να ανταπεξέλθουν σε σημαντικά υψηλότερες εντάσεις πεδίου από ό,τι περίμεναν, και αρχικά δεν μπορούσαν να καταλάβουν γιατί. Η απάντηση μπορεί να βρεθεί σε ατομικό επίπεδο - σε μερικές κρίσιμες ενδιάμεσες επιφάνειες μέσα στα εξαρτήματα.
Ερευνητές στο LiU και στο SweGaN, με επικεφαλής τους Lars Hultman και Jun Lu του LiU, παρουσιάζουν στο Applied Physics Letters μια εξήγηση του φαινομένου και περιγράφουν μια μέθοδο για την κατασκευή τρανζίστορ με ακόμη μεγαλύτερη ικανότητα αντοχής σε υψηλές τάσεις.
Οι επιστήμονες ανακάλυψαν έναν προηγουμένως άγνωστο μηχανισμό επιταξιακής ανάπτυξης, τον οποίο ονόμασαν «διαμορφική επιταξιακή ανάπτυξη». Προκαλεί τη σταδιακή απορρόφηση της τάσης μεταξύ των διαφορετικών στρωμάτων σε μερικά στρώματα ατόμων. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να αναπτύξουν τα δύο στρώματα, νιτρίδιο του γαλλίου και νιτρίδιο του αργιλίου, σε καρβίδιο του πυριτίου με τρόπο που να ελέγχει σε ατομικό επίπεδο τον τρόπο με τον οποίο τα στρώματα σχετίζονται μεταξύ τους στο υλικό. Στο εργαστήριο έχουν δείξει ότι το υλικό αντέχει σε υψηλές τάσεις, έως και 1800 V. Εάν μια τέτοια τάση τοποθετηθεί σε ένα κλασικό εξάρτημα με βάση το πυρίτιο, θα αρχίσουν να εκπέμπονται σπινθήρες και το τρανζίστορ θα καταστραφεί.
«Συγχαίρουμε την SweGaN για την έναρξη της εμπορίας της εφεύρεσης. Δείχνει αποτελεσματική συνεργασία και αξιοποίηση των ερευνητικών αποτελεσμάτων στην κοινωνία. Λόγω της στενής επαφής που έχουμε με τους προηγούμενους συναδέλφους μας που εργάζονται τώρα για την εταιρεία, η έρευνά μας έχει γρήγορα αντίκτυπο και εκτός του ακαδημαϊκού κόσμου», λέει ο Lars Hultman.
Υλικά που παρέχονται από το Πανεπιστήμιο Linköping. Πρωτότυπο κείμενο γραμμένο από τη Monica Westman Svenselius. Σημείωση: Το περιεχόμενο ενδέχεται να υποστεί επεξεργασία για λόγους ύφους και διάρκειας.
Λάβετε τα τελευταία επιστημονικά νέα με τα δωρεάν ενημερωτικά δελτία ηλεκτρονικού ταχυδρομείου του ScienceDaily, τα οποία ενημερώνονται καθημερινά και εβδομαδιαία. Ή δείτε τις ροές ειδήσεων που ενημερώνονται ανά ώρα στον αναγνώστη RSS:
Πείτε μας τη γνώμη σας για το ScienceDaily — καλωσορίζουμε τόσο τα θετικά όσο και τα αρνητικά σχόλια. Έχετε προβλήματα με τη χρήση του ιστότοπου; Έχετε ερωτήσεις;
Ώρα δημοσίευσης: 11 Μαΐου 2020