Uusi menetelmä sovittaa yhteen jopa muutaman nanometrin ohuita puolijohdekerroksia on johtanut tieteellisen löydön lisäksi myös uudentyyppiseen transistoriin suuritehoisille elektronisille laitteille. Applied Physics Lettersissa julkaistu tulos on herättänyt suurta kiinnostusta.
Saavutus on seurausta tiiviistä yhteistyöstä Linköpingin yliopiston tutkijoiden ja LiU:n materiaalitieteellisen tutkimuksen spin-off-yrityksen SweGaN:n välillä. Yritys valmistaa räätälöityjä elektroniikkakomponentteja galliumnitridistä.
Galliumnitridi, GaN, on puolijohde, jota käytetään tehokkaissa valodiodeissa. Se voi kuitenkin olla hyödyllinen myös muissa sovelluksissa, kuten transistoreissa, koska se kestää korkeampia lämpötiloja ja virranvoimakkuuksia kuin monet muut puolijohteet. Nämä ovat tärkeitä ominaisuuksia tulevaisuuden elektronisille komponenteille, ei vähiten sähköajoneuvoissa käytettäville.
Galliumnitridihöyryn annetaan kondensoitua piikarbidikiekolle, jolloin muodostuu ohut pinnoite. Menetelmää, jossa yhtä kiteistä materiaalia kasvatetaan toisen substraatilla, kutsutaan "epitaksiaksi". Menetelmää käytetään usein puolijohdeteollisuudessa, koska se tarjoaa suuren vapauden sekä muodostuvan nanometrikalvon kiderakenteen että kemiallisen koostumuksen määrittämisessä.
Galliumnitridin, GaN:n ja piikarbidin SiC (molemmat kestävät voimakkaita sähkökenttiä) yhdistelmä varmistaa, että piirit sopivat sovelluksiin, joissa tarvitaan suuria tehoja.
Kahden kiteisen materiaalin, galliumnitridin ja piikarbidin, välinen sovitus pinnalla on kuitenkin huono. Atomit eivät sovi yhteen, mikä johtaa transistorin vikaantumiseen. Tätä on käsitelty tutkimuksessa, joka johti myöhemmin kaupalliseen ratkaisuun, jossa kahden kerroksen väliin laitettiin vielä ohuempi kerros alumiininitridiä.
SweGaNin insinöörit huomasivat sattumalta, että heidän transistoreinsa pystyivät selviytymään huomattavasti suuremmista kenttävoimakkuuksista kuin he olivat odottaneet, eivätkä he aluksi ymmärtäneet miksi. Vastaus löytyy atomitasolta — muutamasta kriittisestä välipinnasta komponenttien sisällä.
LiU:n ja SweGaN:n tutkijat, LiU:n Lars Hultmanin ja Jun Lun johdolla, esittävät Applied Physics Lettersissa selityksen ilmiöstä ja kuvaavat menetelmän valmistaa transistoreja, joilla on vieläkin parempi kyky kestää korkeita jännitteitä.
Tutkijat ovat löytäneet aiemmin tuntemattoman epitaksiaalisen kasvumekanismin, jota he ovat kutsuneet "transmorfiseksi epitaksiaaliseksi kasvuksi". Se saa aikaan sen, että eri kerrosten välinen jännitys imeytyy vähitellen muutaman atomikerroksen yli. Tämä tarkoittaa, että ne voivat kasvattaa kaksi kerrosta, galliumnitridi ja alumiininitridi, piikarbidilla tavalla, joka ohjaa atomitasolla kerrosten suhteellisuutta materiaalissa toisiinsa. Laboratoriossa on osoitettu, että materiaali kestää korkeita, jopa 1800 V:n jännitteitä. Jos sellainen jännite laitetaan klassisen piipohjaisen komponentin päälle, kipinöitä alkaisi lentää ja transistori tuhoutuisi.
”Onnittelemme SweGaNia, kun he alkavat markkinoida keksintöä. Se osoittaa tehokkaan yhteistyön ja tutkimustulosten hyödyntämisen yhteiskunnassa. Koska meillä on tiivis kontakti aikaisempien, nyt yrityksessä työskentelevien kollegojemme kanssa, tutkimuksemme vaikuttaa nopeasti myös akateemisen maailman ulkopuolelle”, Lars Hultman sanoo.
Materiaalit tarjoaa Linköpingin yliopisto. Alkuperäinen kirjoittaja Monica Westman Svenselius. Huomautus: Sisältöä voidaan muokata tyylin ja pituuden mukaan.
Saat viimeisimmät tiedeuutiset ScienceDailyn ilmaisilla sähköpostiuutiskirjeillä, joita päivitetään päivittäin ja viikoittain. Tai katso tunneittain päivitetyt uutissyötteet RSS-lukijassasi:
Kerro meille mielipiteesi ScienceDailysta – otamme mielellämme vastaan sekä positiivisia että negatiivisia kommentteja. Onko sinulla ongelmia sivuston käytössä? Kysymyksiä?
Postitusaika: 11.5.2020