En ny metod för att montera ihop lager av halvledare så tunna som några nanometer har resulterat i inte bara en vetenskaplig upptäckt utan också en ny typ av transistor för högeffektselektroniska apparater. Resultatet, som publicerades i Applied Physics Letters, har väckt stort intresse.
Prestationen är resultatet av ett nära samarbete mellan forskare vid Linköpings universitet och SweGaN, ett avknoppningsföretag från materialvetenskaplig forskning vid LiU. Företaget tillverkar skräddarsydda elektroniska komponenter av galliumnitrid.
Galliumnitrid, GaN, är en halvledare som används för effektiva lysdioder. Den kan dock även vara användbar i andra tillämpningar, såsom transistorer, eftersom den tål högre temperaturer och strömstyrkor än många andra halvledare. Dessa är viktiga egenskaper för framtida elektroniska komponenter, inte minst för de som används i elfordon.
Galliumnitridånga får kondensera på en skiva av kiselkarbid och bilda en tunn beläggning. Metoden där ett kristallint material odlas på ett substrat av ett annat kallas "epitaxi". Metoden används ofta inom halvledarindustrin eftersom den ger stor frihet att bestämma både kristallstrukturen och den kemiska sammansättningen av den bildade nanometerfilmen.
Kombinationen av galliumnitrid, GaN, och kiselkarbid, SiC (som båda tål starka elektriska fält), säkerställer att kretsarna är lämpliga för tillämpningar där hög effekt behövs.
Ytanpassningen mellan de två kristallina materialen, galliumnitrid och kiselkarbid, är dock dålig. Atomerna missmatchas till slut, vilket leder till att transistorn går sönder. Detta har åtgärdats genom forskning, vilket senare ledde till en kommersiell lösning, där ett ännu tunnare lager aluminiumnitrid placerades mellan de två lagren.
Ingenjörerna på SweGaN märkte av en slump att deras transistorer klarade av betydligt högre fältstyrkor än de hade förväntat sig, och de kunde inte först förstå varför. Svaret finns på atomnivå – i ett par kritiska mellanytor inuti komponenterna.
Forskare vid LiU och SweGaN, ledda av LiU:s Lars Hultman och Jun Lu, presenterar i Applied Physics Letters en förklaring av fenomenet, och beskriver en metod för att tillverka transistorer med ännu större förmåga att motstå höga spänningar.
Forskarna har upptäckt en tidigare okänd epitaxiell tillväxtmekanism som de har kallat "transmorf epitaxiell tillväxt". Den gör att spänningen mellan de olika lagren gradvis absorberas över ett par lager av atomer. Det innebär att de kan låta de två lagren, galliumnitrid och aluminiumnitrid, växa på kiselkarbid på ett sätt som på atomnivå kontrollerar hur lagren är relaterade till varandra i materialet. I laboratoriet har de visat att materialet tål höga spänningar, upp till 1800 V. Om en sådan spänning placerades över en klassisk kiselbaserad komponent skulle gnistor börja flyga och transistorn skulle förstöras.
”Vi gratulerar SweGaN till att de börjar marknadsföra uppfinningen. Det visar på effektivt samarbete och hur forskningsresultaten utnyttjas i samhället. Tack vare den nära kontakt vi har med våra tidigare kollegor som nu arbetar för företaget, får vår forskning snabbt genomslag även utanför den akademiska världen”, säger Lars Hultman.
Material från Linköpings universitet. Originalförfattat av Monica Westman Svenselius. Obs: Innehållet kan komma att redigeras avseende stil och längd.
Få de senaste vetenskapsnyheterna med ScienceDailys kostnadsfria e-postnyhetsbrev, som uppdateras dagligen och veckovis. Eller se timvis uppdaterade nyhetsflöden i din RSS-läsare:
Berätta vad du tycker om ScienceDaily — vi välkomnar både positiva och negativa kommentarer. Har du några problem med att använda webbplatsen? Frågor?
Publiceringstid: 11 maj 2020