Một phương pháp mới để ghép các lớp bán dẫn mỏng chỉ vài nanomet đã dẫn đến không chỉ một khám phá khoa học mà còn là một loại bóng bán dẫn mới cho các thiết bị điện tử công suất cao. Kết quả này, được công bố trên tạp chí Applied Physics Letters, đã thu hút sự quan tâm rất lớn.
Thành tựu này là kết quả của sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà khoa học tại Đại học Linköping và SweGaN, một công ty tách ra từ nghiên cứu khoa học vật liệu tại LiU. Công ty này sản xuất các linh kiện điện tử theo yêu cầu từ gallium nitride.
Gallium nitride, GaN, là một chất bán dẫn được sử dụng trong các điốt phát quang hiệu quả. Tuy nhiên, nó cũng có thể hữu ích trong các ứng dụng khác, chẳng hạn như transistor, vì nó có thể chịu được nhiệt độ và dòng điện cao hơn nhiều chất bán dẫn khác. Đây là những đặc tính quan trọng đối với các linh kiện điện tử trong tương lai, đặc biệt là đối với các linh kiện được sử dụng trong xe điện.
Hơi gali nitrua được cho ngưng tụ trên một tấm silicon carbide, tạo thành một lớp phủ mỏng. Phương pháp nuôi cấy một vật liệu tinh thể trên một chất nền khác được gọi là "epitaxy". Phương pháp này thường được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn vì nó mang lại sự linh hoạt cao trong việc xác định cả cấu trúc tinh thể và thành phần hóa học của màng nanomet được hình thành.
Sự kết hợp giữa gali nitrua (GaN) và silic cacbua (SiC) (cả hai đều có khả năng chịu được điện trường mạnh) đảm bảo rằng các mạch này phù hợp với các ứng dụng cần công suất cao.
Tuy nhiên, sự khớp nối bề mặt giữa hai vật liệu tinh thể, gallium nitride và silicon carbide, lại kém. Các nguyên tử không khớp với nhau, dẫn đến hỏng transistor. Vấn đề này đã được nghiên cứu và dẫn đến một giải pháp thương mại, trong đó một lớp nhôm nitride mỏng hơn được đặt giữa hai lớp này.
Các kỹ sư tại SweGaN tình cờ nhận thấy rằng các bóng bán dẫn của họ có thể chịu được cường độ điện trường cao hơn đáng kể so với dự kiến, và ban đầu họ không hiểu tại sao. Câu trả lời nằm ở cấp độ nguyên tử — trong một vài bề mặt trung gian quan trọng bên trong các linh kiện.
Các nhà nghiên cứu tại LiU và SweGaN, do Lars Hultman và Jun Lu của LiU dẫn đầu, đã trình bày trên tạp chí Applied Physics Letters lời giải thích về hiện tượng này, và mô tả một phương pháp để chế tạo các bóng bán dẫn có khả năng chịu được điện áp cao hơn nữa.
Các nhà khoa học đã phát hiện ra một cơ chế tăng trưởng epitaxy chưa từng được biết đến trước đây mà họ đặt tên là “tăng trưởng epitaxy chuyển dạng”. Cơ chế này khiến cho sự biến dạng giữa các lớp khác nhau được hấp thụ dần dần qua một vài lớp nguyên tử. Điều này có nghĩa là họ có thể nuôi cấy hai lớp, gallium nitride và aluminum nitride, trên silicon carbide theo cách có thể kiểm soát ở cấp độ nguyên tử mối quan hệ giữa các lớp trong vật liệu. Trong phòng thí nghiệm, họ đã chứng minh rằng vật liệu này chịu được điện áp cao, lên đến 1800 V. Nếu đặt điện áp như vậy lên một linh kiện silicon thông thường, tia lửa điện sẽ bắt đầu phát ra và bóng bán dẫn sẽ bị phá hủy.
“Chúng tôi chúc mừng SweGaN khi họ bắt đầu đưa phát minh này ra thị trường. Điều này thể hiện sự hợp tác hiệu quả và việc ứng dụng kết quả nghiên cứu vào xã hội. Nhờ mối liên hệ chặt chẽ với các đồng nghiệp cũ của chúng tôi hiện đang làm việc cho công ty, nghiên cứu của chúng tôi nhanh chóng tạo được tác động cả bên ngoài giới học thuật,” Lars Hultman cho biết.
Tài liệu do Đại học Linköping cung cấp. Tác giả gốc: Monica Westman Svenselius. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về văn phong và độ dài.
Nhận tin tức khoa học mới nhất với bản tin email miễn phí của ScienceDaily, được cập nhật hàng ngày và hàng tuần. Hoặc xem các bản tin được cập nhật hàng giờ trong trình đọc RSS của bạn:
Hãy cho chúng tôi biết suy nghĩ của bạn về ScienceDaily — chúng tôi hoan nghênh cả những ý kiến tích cực và tiêu cực. Bạn gặp vấn đề gì khi sử dụng trang web? Có câu hỏi nào không?
Thời gian đăng bài: 11 tháng 5 năm 2020