Un nuovo metodo per assemblare strati di semiconduttori sottili fino a pochi nanometri ha portato non solo a una scoperta scientifica, ma anche a un nuovo tipo di transistor per dispositivi elettronici ad alta potenza. Il risultato, pubblicato su Applied Physics Letters, ha suscitato enorme interesse.
Questo risultato è frutto di una stretta collaborazione tra gli scienziati dell'Università di Linköping e SweGaN, una società spin-off nata dalla ricerca sui materiali presso l'Università di Linköping. L'azienda produce componenti elettronici su misura in nitruro di gallio.
Il nitruro di gallio, GaN, è un semiconduttore utilizzato per la realizzazione di diodi a emissione di luce (LED) ad alta efficienza. Tuttavia, potrebbe rivelarsi utile anche in altre applicazioni, come i transistor, poiché è in grado di resistere a temperature e correnti più elevate rispetto a molti altri semiconduttori. Queste sono proprietà importanti per i futuri componenti elettronici, soprattutto per quelli impiegati nei veicoli elettrici.
Il vapore di nitruro di gallio viene fatto condensare su un wafer di carburo di silicio, formando un sottile rivestimento. Il metodo con cui un materiale cristallino viene fatto crescere su un substrato di un altro è noto come "epitassia". Questo metodo è spesso utilizzato nell'industria dei semiconduttori poiché offre grande libertà nel determinare sia la struttura cristallina che la composizione chimica del film nanometrico formato.
La combinazione di nitruro di gallio, GaN, e carburo di silicio, SiC (entrambi in grado di resistere a forti campi elettrici), garantisce che i circuiti siano adatti ad applicazioni in cui sono necessarie elevate potenze.
L'accoppiamento superficiale tra i due materiali cristallini, nitruro di gallio e carburo di silicio, è tuttavia inadeguato. Gli atomi finiscono per non combaciare tra loro, causando il malfunzionamento del transistor. La ricerca ha affrontato questo problema, portando successivamente a una soluzione commerciale che prevede l'inserimento di uno strato ancora più sottile di nitruro di alluminio tra i due strati.
Gli ingegneri di SweGaN notarono per caso che i loro transistor potevano sopportare intensità di campo significativamente più elevate di quanto previsto, e inizialmente non riuscivano a capirne il motivo. La risposta si trova a livello atomico, in un paio di superfici intermedie critiche all'interno dei componenti.
I ricercatori di LiU e SweGaN, guidati da Lars Hultman e Jun Lu di LiU, presentano su Applied Physics Letters una spiegazione del fenomeno e descrivono un metodo per produrre transistor con una capacità ancora maggiore di resistere ad alte tensioni.
Gli scienziati hanno scoperto un meccanismo di crescita epitassiale precedentemente sconosciuto, che hanno chiamato "crescita epitassiale transmorfica". Questo meccanismo fa sì che la tensione tra i diversi strati venga gradualmente assorbita attraverso un paio di strati di atomi. Ciò significa che è possibile far crescere i due strati, nitruro di gallio e nitruro di alluminio, sul carburo di silicio in modo da controllare a livello atomico la relazione tra gli strati all'interno del materiale. In laboratorio, hanno dimostrato che il materiale resiste ad alte tensioni, fino a 1800 V. Se una tensione simile venisse applicata a un componente classico a base di silicio, si genererebbero scintille e il transistor verrebbe distrutto.
“Ci congratuliamo con SweGaN per l'avvio della commercializzazione dell'invenzione. Ciò dimostra un'efficace collaborazione e l'applicazione dei risultati della ricerca alla società. Grazie allo stretto contatto che abbiamo con i nostri ex colleghi che ora lavorano per l'azienda, la nostra ricerca ha rapidamente un impatto anche al di fuori del mondo accademico”, afferma Lars Hultman.
Materiale fornito dall'Università di Linköping. Testo originale di Monica Westman Svenselius. Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
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Data di pubblicazione: 11 maggio 2020