Nowa metoda łączenia ze sobą warstw półprzewodników o grubości zaledwie kilku nanometrów zaowocowała nie tylko odkryciem naukowym, ale także nowym rodzajem tranzystora do urządzeń elektronicznych dużej mocy. Wyniki, opublikowane w czasopiśmie „Applied Physics Letters”, wzbudziły ogromne zainteresowanie.
Osiągnięcie jest wynikiem ścisłej współpracy naukowców z Uniwersytetu w Linköping i SweGaN, spółki spin-off z LiU zajmującej się badaniami materiałoznawstwa. Firma produkuje dostosowane do indywidualnych potrzeb komponenty elektroniczne z azotku galu.
Azotek galu (GaN) to półprzewodnik stosowany w wydajnych diodach elektroluminescencyjnych (LED). Może być jednak również przydatny w innych zastosowaniach, takich jak tranzystory, ponieważ wytrzymuje wyższe temperatury i natężenie prądu niż wiele innych półprzewodników. Są to ważne właściwości dla przyszłych podzespołów elektronicznych, zwłaszcza tych stosowanych w pojazdach elektrycznych.
Para azotku galu kondensuje się na płytce z węglika krzemu, tworząc cienką powłokę. Metoda, w której jeden materiał krystaliczny jest hodowany na podłożu innego materiału, nazywana jest „epitaksją”. Metoda ta jest często stosowana w przemyśle półprzewodnikowym, ponieważ zapewnia dużą swobodę w określaniu zarówno struktury krystalicznej, jak i składu chemicznego utworzonej warstwy nanometrycznej.
Połączenie azotku galu (GaN) i węglika krzemu (SiC) (oba materiały odporne na silne pola elektryczne) sprawia, że obwody te nadają się do zastosowań wymagających dużej mocy.
Dopasowanie powierzchniowe dwóch materiałów krystalicznych, azotku galu i węglika krzemu, jest jednak słabe. Atomy nie dopasowują się do siebie, co prowadzi do awarii tranzystora. Problem ten został rozwiązany w toku badań, które doprowadziły do opracowania komercyjnego rozwiązania, w którym między dwiema warstwami umieszczono jeszcze cieńszą warstwę azotku glinu.
Inżynierowie ze SweGaN przypadkiem zauważyli, że ich tranzystory radzą sobie ze znacznie większymi natężeniami pól niż się spodziewali i początkowo nie mogli zrozumieć dlaczego. Odpowiedź można znaleźć na poziomie atomowym – w kilku krytycznych powierzchniach pośrednich wewnątrz komponentów.
Naukowcy z LiU i SweGaN, pod przewodnictwem Larsa Hultmana i Juna Lu z LiU, przedstawili w czasopiśmie Applied Physics Letters wyjaśnienie tego zjawiska i opisali metodę produkcji tranzystorów o jeszcze większej wytrzymałości na wysokie napięcia.
Naukowcy odkryli nieznany wcześniej mechanizm wzrostu epitaksjalnego, który nazwali „transmorficznym wzrostem epitaksjalnym”. Powoduje on stopniową absorpcję naprężeń między warstwami przez kilka warstw atomów. Oznacza to, że mogą wytworzyć dwie warstwy, azotek galu i azotek glinu, na węgliku krzemu w sposób umożliwiający kontrolę na poziomie atomowym, w jaki sposób warstwy te są ze sobą powiązane w materiale. W laboratorium wykazali, że materiał wytrzymuje wysokie napięcia, sięgające 1800 V. Gdyby przyłożyć takie napięcie do klasycznego elementu krzemowego, zaczęłyby iskrzyć, a tranzystor uległby zniszczeniu.
„Gratulujemy firmie SweGaN wprowadzenia wynalazku na rynek. Świadczy to o efektywnej współpracy i wykorzystaniu wyników badań w społeczeństwie. Dzięki bliskiemu kontaktowi z naszymi byłymi kolegami, którzy obecnie pracują w firmie, nasze badania szybko zyskują na znaczeniu również poza światem akademickim” – mówi Lars Hultman.
Materiały dostarczone przez Uniwersytet w Linköping. Oryginał autorstwa Moniki Westman Svenselius. Uwaga: Treść może zostać zmieniona pod względem stylu i długości.
Otrzymuj najnowsze wiadomości naukowe dzięki bezpłatnym newsletterom ScienceDaily, aktualizowanym codziennie i co tydzień. Możesz też przeglądać cogodzinne aktualności w swoim czytniku RSS:
Podziel się swoją opinią o ScienceDaily — chętnie przyjmiemy zarówno pozytywne, jak i negatywne komentarze. Masz jakieś problemy z korzystaniem z serwisu? Masz pytania?
Czas publikacji: 11 maja 2020 r.