En ny metode for å sette sammen lag av halvledere så tynne som noen få nanometer har resultert i ikke bare en vitenskapelig oppdagelse, men også en ny type transistor for høyeffekts elektroniske enheter. Resultatet, publisert i Applied Physics Letters, har vakt enorm interesse.
Bragden er et resultat av et nært samarbeid mellom forskere ved Linköpings universitet og SweGaN, et avknoppningsselskap fra materialforskningen ved LiU. Selskapet produserer skreddersydde elektroniske komponenter av galliumnitrid.
Galliumnitrid, GaN, er en halvleder som brukes til effektive lysdioder. Den kan imidlertid også være nyttig i andre bruksområder, som transistorer, siden den tåler høyere temperaturer og strømstyrker enn mange andre halvledere. Dette er viktige egenskaper for fremtidige elektroniske komponenter, ikke minst for de som brukes i elektriske kjøretøy.
Galliumnitriddamp får kondensere på en skive av silisiumkarbid, og danner et tynt belegg. Metoden der ett krystallinsk materiale dyrkes på et substrat av et annet er kjent som «epitaksi». Metoden brukes ofte i halvlederindustrien siden den gir stor frihet i å bestemme både krystallstrukturen og den kjemiske sammensetningen av den dannede nanometerfilmen.
Kombinasjonen av galliumnitrid, GaN, og silisiumkarbid, SiC (som begge tåler sterke elektriske felt), sikrer at kretsene er egnet for applikasjoner der det er behov for høy effekt.
Overflatetilpasningen mellom de to krystallinske materialene, galliumnitrid og silisiumkarbid, er imidlertid dårlig. Atomene ender opp med å ikke samsvare med hverandre, noe som fører til at transistoren svikter. Dette har blitt løst gjennom forskning, som senere førte til en kommersiell løsning, der et enda tynnere lag med aluminiumnitrid ble plassert mellom de to lagene.
Ingeniørene hos SweGaN la ved en tilfeldighet merke til at transistorene deres kunne takle betydelig høyere feltstyrker enn de hadde forventet, og de forsto ikke hvorfor i utgangspunktet. Svaret finnes på atomnivå – i et par kritiske mellomliggende overflater inne i komponentene.
Forskere ved LiU og SweGaN, ledet av LiUs Lars Hultman og Jun Lu, presenterer i Applied Physics Letters en forklaring på fenomenet, og beskriver en metode for å produsere transistorer med enda større evne til å motstå høye spenninger.
Forskerne har oppdaget en tidligere ukjent epitaksial vekstmekanisme som de har kalt «transmorfisk epitaksial vekst». Den fører til at spenningen mellom de forskjellige lagene gradvis absorberes over et par lag med atomer. Dette betyr at de kan dyrke de to lagene, galliumnitrid og aluminiumnitrid, på silisiumkarbid på en måte som kontrollerer på atomnivå hvordan lagene er relatert til hverandre i materialet. I laboratoriet har de vist at materialet tåler høye spenninger, opptil 1800 V. Hvis en slik spenning ble plassert over en klassisk silisiumbasert komponent, ville gnister begynne å fly og transistoren ville bli ødelagt.
«Vi gratulerer SweGaN med at de har begynt å markedsføre oppfinnelsen. Det viser effektivt samarbeid og utnyttelse av forskningsresultater i samfunnet. På grunn av den nære kontakten vi har med våre tidligere kolleger som nå jobber for selskapet, får forskningen vår raskt gjennomslag også utenfor den akademiske verden», sier Lars Hultman.
Materialer levert av Linköpings universitet. Originalteksten er skrevet av Monica Westman Svenselius. Merk: Innholdet kan redigeres for stil og lengde.
Få de siste vitenskapsnyhetene med ScienceDailys gratis e-postnyhetsbrev, som oppdateres daglig og ukentlig. Eller se timebaserte nyhetsfeeder i RSS-leseren din:
Fortell oss hva du synes om ScienceDaily – vi tar gjerne imot både positive og negative kommentarer. Har du problemer med å bruke nettstedet? Spørsmål?
Publiseringstid: 11. mai 2020