Uusi menetelmä muutaman nanometrin paksuisten puolijohdekerrosten yhteen sovittamiseksi on johtanut paitsi tieteelliseen löydökseen myös uudentyyppiseen transistoriin suuritehoisia elektronisia laitteita varten. Applied Physics Letters -lehdessä julkaistu tulos on herättänyt valtavaa kiinnostusta.
Saavutus on Linköpingin yliopiston tutkijoiden ja SweGaNin, LiU:n materiaalitieteen tutkimuksesta syntyneen spin-off-yrityksen, tiivis yhteistyö. Yritys valmistaa räätälöityjä elektronisia komponentteja galliumnitridistä.
Galliumnitridi, GaN, on puolijohde, jota käytetään tehokkaissa valodiodeissa. Se voi kuitenkin olla hyödyllinen myös muissa sovelluksissa, kuten transistoreissa, koska se kestää korkeampia lämpötiloja ja virranvoimakkuuksia kuin monet muut puolijohteet. Nämä ovat tärkeitä ominaisuuksia tulevaisuuden elektroniikkakomponenteille, ei vähiten sähköajoneuvoissa käytettäville komponenteille.
Galliumnitridihöyryn annetaan tiivistyä piikarbidikiekolle muodostaen ohuen pinnoitteen. Menetelmää, jossa yksi kiteinen materiaali kasvatetaan toisen alustan päälle, kutsutaan "epitaksiksi". Menetelmää käytetään usein puolijohdeteollisuudessa, koska se tarjoaa suuren vapauden sekä muodostetun nanometrikalvon kiderakenteen että kemiallisen koostumuksen määrittämisessä.
Galliumnitridin, GaN:n, ja piikarbidin, SiC:n, yhdistelmä (jotka molemmat kestävät voimakkaita sähkökenttiä) varmistaa, että piirit soveltuvat sovelluksiin, joissa tarvitaan suuria tehoja.
Kahden kiteisen materiaalin, galliumnitridin ja piikarbidin, välinen pintasovitus on kuitenkin huono. Atomit päätyvät sopimaan toisiinsa sopimattomasti, mikä johtaa transistorin vikaantumiseen. Tätä on ratkaistu tutkimuksessa, joka johti myöhemmin kaupalliseen ratkaisuun, jossa kahden kerroksen väliin asetettiin vielä ohuempi alumiininitridikerros.
SweGaNin insinöörit huomasivat sattumalta, että heidän transistorinsa pystyivät käsittelemään huomattavasti suurempia kentänvoimakkuuksia kuin he olivat odottaneet, eivätkä he aluksi ymmärtäneet miksi. Vastaus löytyy atomitasolta – muutamasta kriittisestä välipinnasta komponenttien sisällä.
LiU:n ja SweGaN:n tutkijat, joita johtavat LiU:n Lars Hultman ja Jun Lu, esittävät Applied Physics Letters -lehdessä selityksen ilmiölle ja kuvaavat menetelmän transistoreiden valmistamiseksi, joilla on entistä parempi kyky kestää korkeita jännitteitä.
Tutkijat ovat löytäneet aiemmin tuntemattoman epitaksiaalisen kasvumekanismin, jonka he ovat nimenneet "transmorfiseksi epitaksiaaliseksi kasvuksi". Se aiheuttaa eri kerrosten välisen jännityksen asteittaisen absorboitumisen muutaman atomikerroksen yli. Tämä tarkoittaa, että he voivat kasvattaa kaksi kerrosta, galliumnitridin ja alumiininitridin, piikarbidille tavalla, jolla voidaan kontrolloida atomitasolla kerrosten välistä suhdetta toisiinsa materiaalissa. Laboratoriossa he ovat osoittaneet, että materiaali kestää korkeita jännitteitä, jopa 1800 V. Jos tällainen jännite kohdistettaisiin klassisen piipohjaisen komponentin yli, kipinät alkaisivat lentää ja transistori tuhoutuisi.
”Onnittelemme SweGaNia keksinnön markkinoinnin aloittamisesta. Se osoittaa tehokasta yhteistyötä ja tutkimustulosten hyödyntämistä yhteiskunnassa. Tiiviiden yhteyksien ansiosta, joita meillä on aiempiin kollegoihin, jotka nyt työskentelevät yrityksessä, tutkimuksellamme on nopeasti vaikutusta myös akateemisen maailman ulkopuolella”, sanoo Lars Hultman.
Linköpingin yliopiston toimittamat materiaalit. Alkuperäinen kirjoittaja Monica Westman Svenselius. Huomautus: Sisältöä voidaan muokata tyylin ja pituuden osalta.
Saat uusimmat tiedeuutiset ScienceDaily:n ilmaisilla sähköpostiuutiskirjeillä, joita päivitetään päivittäin ja viikoittain. Tai voit katsella tunneittain päivittyviä uutissyötteitä RSS-lukijassasi:
Kerro meille mielipiteesi ScienceDailystä – otamme mielellämme vastaan sekä positiivisia että negatiivisia kommentteja. Onko sinulla ongelmia sivuston käytössä? Kysymyksiä?
Julkaisun aika: 11. toukokuuta 2020