Een nieuwe methode om lagen halfgeleiders van slechts enkele nanometers dik aan elkaar te bevestigen heeft niet alleen geleid tot een wetenschappelijke ontdekking, maar ook tot een nieuw type transistor voor krachtige elektronische apparaten. Het resultaat, gepubliceerd in Applied Physics Letters, heeft enorm veel belangstelling gewekt.
Deze prestatie is het resultaat van een nauwe samenwerking tussen wetenschappers van de Linköping Universiteit en SweGaN, een spin-offbedrijf voortgekomen uit materiaalwetenschappelijk onderzoek aan de LiU. Het bedrijf produceert op maat gemaakte elektronische componenten van galliumnitride.
Galliumnitride, GaN, is een halfgeleider die gebruikt wordt voor efficiënte lichtemitterende diodes. Het kan echter ook nuttig zijn in andere toepassingen, zoals transistors, omdat het hogere temperaturen en stroomsterktes kan weerstaan dan veel andere halfgeleiders. Dit zijn belangrijke eigenschappen voor toekomstige elektronische componenten, met name voor die in elektrische voertuigen.
Galliumnitridedamp condenseert op een siliciumcarbide wafer, waardoor een dunne laag ontstaat. De methode waarbij een kristallijn materiaal op een substraat van een ander materiaal wordt gegroeid, staat bekend als "epitaxie". Deze methode wordt vaak gebruikt in de halfgeleiderindustrie, omdat ze veel vrijheid biedt bij het bepalen van zowel de kristalstructuur als de chemische samenstelling van de gevormde nanometerfilm.
De combinatie van galliumnitride (GaN) en siliciumcarbide (SiC) (die beide bestand zijn tegen sterke elektrische velden) zorgt ervoor dat de circuits geschikt zijn voor toepassingen waarbij hoge vermogens nodig zijn.
De aansluiting tussen de twee kristallijne materialen, galliumnitride en siliciumcarbide, aan het oppervlak is echter slecht. De atomen raken niet goed op elkaar afgestemd, wat leidt tot defecten aan de transistor. Dit probleem is aangepakt door onderzoek, wat vervolgens leidde tot een commerciële oplossing waarbij een nog dunnere laag aluminiumnitride tussen de twee lagen werd aangebracht.
De ingenieurs van SweGaN ontdekten bij toeval dat hun transistors aanzienlijk hogere veldsterktes aankonden dan ze hadden verwacht, en ze begrepen aanvankelijk niet waarom. Het antwoord is te vinden op atomair niveau – in een paar cruciale tussenliggende oppervlakken in de componenten.
Onderzoekers van LiU en SweGaN, onder leiding van Lars Hultman en Jun Lu van LiU, presenteren in Applied Physics Letters een verklaring voor het fenomeen en beschrijven een methode om transistors te produceren die nog beter bestand zijn tegen hoge spanningen.
De wetenschappers hebben een voorheen onbekend epitaxiaal groeimechanisme ontdekt dat ze "transmorfe epitaxiale groei" hebben genoemd. Dit mechanisme zorgt ervoor dat de spanning tussen de verschillende lagen geleidelijk wordt geabsorbeerd over een paar atoomlagen. Hierdoor kunnen ze de twee lagen, galliumnitride en aluminiumnitride, op siliciumcarbide laten groeien op een manier die op atomair niveau de onderlinge verhoudingen van de lagen in het materiaal regelt. In het laboratorium hebben ze aangetoond dat het materiaal hoge spanningen tot 1800 V kan weerstaan. Als een dergelijke spanning op een klassiek siliciumcomponent zou worden aangelegd, zouden er vonken ontstaan en zou de transistor worden vernietigd.
“We feliciteren SweGaN met de start van de commercialisering van hun uitvinding. Het getuigt van efficiënte samenwerking en de maatschappelijke toepassing van onderzoeksresultaten. Dankzij het nauwe contact met onze voormalige collega's die nu voor het bedrijf werken, heeft ons onderzoek snel impact, ook buiten de academische wereld”, aldus Lars Hultman.
Materiaal aangeleverd door Linköping University. Oorspronkelijk geschreven door Monica Westman Svenselius. Opmerking: De inhoud kan bewerkt zijn voor stijl en lengte.
Ontvang het laatste wetenschapsnieuws met de gratis e-mailnieuwsbrieven van ScienceDaily, die dagelijks en wekelijks worden bijgewerkt. Of bekijk de nieuwsfeeds die elk uur worden bijgewerkt in uw RSS-reader:
Laat ons weten wat u van ScienceDaily vindt — zowel positieve als negatieve reacties zijn welkom. Heeft u problemen met het gebruik van de site? Vragen?
Geplaatst op: 11 mei 2020