Um novo método para unir camadas de semicondutores com apenas alguns nanômetros de espessura resultou não apenas em uma descoberta científica, mas também em um novo tipo de transistor para dispositivos eletrônicos de alta potência. O resultado, publicado na revista Applied Physics Letters, despertou grande interesse.
Essa conquista é resultado de uma estreita colaboração entre cientistas da Universidade de Linköping e a SweGaN, uma empresa derivada da pesquisa em ciência dos materiais da Universidade de Linköping. A empresa fabrica componentes eletrônicos personalizados a partir de nitreto de gálio.
O nitreto de gálio, GaN, é um semicondutor usado em diodos emissores de luz de alta eficiência. No entanto, ele também pode ser útil em outras aplicações, como transistores, já que suporta temperaturas e correntes elétricas mais elevadas do que muitos outros semicondutores. Essas são propriedades importantes para componentes eletrônicos do futuro, principalmente para aqueles usados em veículos elétricos.
O vapor de nitreto de gálio é condensado sobre uma lâmina de carbeto de silício, formando um revestimento fino. O método no qual um material cristalino é cultivado sobre um substrato de outro é conhecido como "epitaxia". Esse método é frequentemente utilizado na indústria de semicondutores, pois oferece grande liberdade na determinação tanto da estrutura cristalina quanto da composição química do filme nanométrico formado.
A combinação de nitreto de gálio (GaN) e carbeto de silício (SiC) (ambos capazes de suportar fortes campos elétricos) garante que os circuitos sejam adequados para aplicações que exigem alta potência.
A compatibilidade superficial entre os dois materiais cristalinos, nitreto de gálio e carbeto de silício, é, no entanto, deficiente. Os átomos acabam ficando desalinhados, o que leva à falha do transistor. Essa questão foi solucionada por meio de pesquisas, que posteriormente resultaram em uma solução comercial, na qual uma camada ainda mais fina de nitreto de alumínio foi colocada entre as duas camadas.
Os engenheiros da SweGaN perceberam por acaso que seus transistores conseguiam lidar com intensidades de campo significativamente maiores do que o esperado, e inicialmente não entenderam o motivo. A resposta pode ser encontrada no nível atômico — em algumas superfícies intermediárias críticas dentro dos componentes.
Pesquisadores da LiU e da SweGaN, liderados por Lars Hultman e Jun Lu, da LiU, apresentam na revista Applied Physics Letters uma explicação do fenômeno e descrevem um método para fabricar transistores com uma capacidade ainda maior de suportar altas voltagens.
Os cientistas descobriram um mecanismo de crescimento epitaxial até então desconhecido, que denominaram "crescimento epitaxial transmórfico". Esse mecanismo faz com que a tensão entre as diferentes camadas seja gradualmente absorvida ao longo de algumas camadas de átomos. Isso significa que eles podem cultivar duas camadas, nitreto de gálio e nitreto de alumínio, sobre carbeto de silício de forma a controlar, em nível atômico, como as camadas se relacionam entre si no material. Em laboratório, demonstraram que o material suporta altas voltagens, de até 1800 V. Se tal voltagem fosse aplicada a um componente clássico à base de silício, faíscas seriam produzidas e o transistor seria destruído.
“Parabenizamos a SweGaN pelo início da comercialização da invenção. Isso demonstra uma colaboração eficiente e a utilização dos resultados da pesquisa na sociedade. Graças ao contato próximo que mantemos com nossos ex-colegas que agora trabalham na empresa, nossa pesquisa tem rapidamente um impacto também fora do mundo acadêmico”, afirma Lars Hultman.
Materiais fornecidos pela Universidade de Linköping. Texto original de Monica Westman Svenselius. Nota: O conteúdo pode ter sido editado para adequação ao estilo e tamanho.
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Data da publicação: 11 de maio de 2020