Μια νέα μέθοδος για τη συναρμολόγηση στρωμάτων ημιαγωγών τόσο λεπτών όσο λίγα νανόμετρα είχε ως αποτέλεσμα όχι μόνο μια επιστημονική ανακάλυψη αλλά και έναν νέο τύπο τρανζίστορ για ηλεκτρονικές συσκευές υψηλής ισχύος. Το αποτέλεσμα, που δημοσιεύτηκε στο Applied Physics Letters, έχει προκαλέσει τεράστιο ενδιαφέρον.
Το επίτευγμα είναι το αποτέλεσμα μιας στενής συνεργασίας μεταξύ επιστημόνων του Πανεπιστημίου Linköping και της SweGaN, μιας spin-off εταιρείας από την έρευνα επιστήμης υλικών στο LiU. Η εταιρεία κατασκευάζει προσαρμοσμένα ηλεκτρονικά εξαρτήματα από νιτρίδιο του γαλλίου.
Το νιτρίδιο του γαλλίου, GaN, είναι ένας ημιαγωγός που χρησιμοποιείται για αποτελεσματικές διόδους εκπομπής φωτός. Μπορεί, ωστόσο, να είναι χρήσιμο και σε άλλες εφαρμογές, όπως τα τρανζίστορ, καθώς μπορεί να αντέξει υψηλότερες θερμοκρασίες και ισχύ ρεύματος από πολλούς άλλους ημιαγωγούς. Αυτές είναι σημαντικές ιδιότητες για μελλοντικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα, κυρίως για εκείνα που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά οχήματα.
Ο ατμός του νιτριδίου του γαλλίου αφήνεται να συμπυκνωθεί σε μια γκοφρέτα καρβιδίου του πυριτίου, σχηματίζοντας μια λεπτή επικάλυψη. Η μέθοδος κατά την οποία ένα κρυσταλλικό υλικό αναπτύσσεται σε ένα υπόστρωμα ενός άλλου είναι γνωστή ως «επιταξία». Η μέθοδος χρησιμοποιείται συχνά στη βιομηχανία ημιαγωγών, καθώς παρέχει μεγάλη ελευθερία στον προσδιορισμό τόσο της κρυσταλλικής δομής όσο και της χημικής σύστασης του φιλμ νανομέτρου που σχηματίζεται.
Ο συνδυασμός νιτριδίου του γαλλίου, GaN και καρβιδίου του πυριτίου, SiC (και τα δύο μπορούν να αντέξουν ισχυρά ηλεκτρικά πεδία), διασφαλίζει ότι τα κυκλώματα είναι κατάλληλα για εφαρμογές στις οποίες απαιτούνται υψηλές ισχύς.
Η εφαρμογή στην επιφάνεια μεταξύ των δύο κρυσταλλικών υλικών, του νιτριδίου του γαλλίου και του καρβιδίου του πυριτίου, είναι, ωστόσο, κακή. Τα άτομα καταλήγουν αταίριαστα μεταξύ τους, γεγονός που οδηγεί σε αστοχία του τρανζίστορ. Αυτό έχει αντιμετωπιστεί από έρευνα, η οποία στη συνέχεια οδήγησε σε μια εμπορική λύση, στην οποία ένα ακόμη λεπτότερο στρώμα νιτριδίου αλουμινίου τοποθετήθηκε μεταξύ των δύο στρωμάτων.
Οι μηχανικοί στο SweGaN παρατήρησαν τυχαία ότι τα τρανζίστορ τους μπορούσαν να αντιμετωπίσουν σημαντικά υψηλότερες εντάσεις πεδίου από ό,τι περίμεναν, και αρχικά δεν μπορούσαν να καταλάβουν γιατί. Η απάντηση μπορεί να βρεθεί σε ατομικό επίπεδο — σε μερικές κρίσιμες ενδιάμεσες επιφάνειες μέσα στα εξαρτήματα.
Ερευνητές στο LiU και στο SweGaN, με επικεφαλής τους Lars Hultman και Jun Lu του LiU, παρουσιάζουν στο Applied Physics Letters μια εξήγηση του φαινομένου και περιγράφουν μια μέθοδο για την κατασκευή τρανζίστορ με ακόμη μεγαλύτερη ικανότητα να αντέχουν υψηλές τάσεις.
Οι επιστήμονες ανακάλυψαν έναν προηγουμένως άγνωστο μηχανισμό επιταξιακής ανάπτυξης που ονόμασαν «διαμορφική επιταξιακή ανάπτυξη». Προκαλεί τη σταδιακή απορρόφηση της τάσης μεταξύ των διαφορετικών στρωμάτων σε μερικά στρώματα ατόμων. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να αναπτύξουν τα δύο στρώματα, το νιτρίδιο του γαλλίου και το νιτρίδιο του αργιλίου, σε καρβίδιο του πυριτίου με τρόπο ώστε να ελέγχουν σε ατομικό επίπεδο πώς συνδέονται τα στρώματα μεταξύ τους στο υλικό. Στο εργαστήριο έχουν δείξει ότι το υλικό αντέχει σε υψηλές τάσεις, έως και 1800 V. Εάν μια τέτοια τάση τοποθετούνταν σε ένα κλασικό εξάρτημα με βάση το πυρίτιο, οι σπινθήρες θα άρχιζαν να πετούν και το τρανζίστορ θα καταστρεφόταν.
«Συγχαίρουμε τη SweGaN καθώς αρχίζουν να εμπορεύονται την εφεύρεση. Δείχνει αποτελεσματική συνεργασία και αξιοποίηση των ερευνητικών αποτελεσμάτων στην κοινωνία. Λόγω της στενής επαφής που έχουμε με τους προηγούμενους συναδέλφους μας που τώρα εργάζονται για την εταιρεία, η έρευνά μας έχει γρήγορα αντίκτυπο και εκτός του ακαδημαϊκού κόσμου», λέει ο Lars Hultman.
Το υλικό παρέχεται από το Πανεπιστήμιο Linköping. Πρωτότυπο γραμμένο από τη Monica Westman Svenselius. Σημείωση: Το περιεχόμενο μπορεί να επεξεργαστεί για στυλ και μήκος.
Λάβετε τα τελευταία επιστημονικά νέα με τα δωρεάν ενημερωτικά δελτία ηλεκτρονικού ταχυδρομείου του ScienceDaily, που ενημερώνονται καθημερινά και εβδομαδιαία. Εναλλακτικά, δείτε τις ωριαίες ροές ειδήσεων στο πρόγραμμα ανάγνωσης RSS:
Πείτε μας τη γνώμη σας για το ScienceDaily — καλωσορίζουμε τόσο θετικά όσο και αρνητικά σχόλια. Έχετε προβλήματα με τη χρήση του ιστότοπου; Ερωτήσεις;
Ώρα δημοσίευσης: 11 Μαΐου 2020