Un nuovo metodo per unire strati di semiconduttori sottili fino a pochi nanometri ha portato non solo a una scoperta scientifica ma anche a un nuovo tipo di transistor per dispositivi elettronici ad alta potenza. Il risultato, pubblicato su Applied Physics Letters, ha suscitato enorme interesse.
Il risultato è il risultato di una stretta collaborazione tra gli scienziati dell’Università di Linköping e SweGaN, una società spin-off della ricerca sulla scienza dei materiali presso LiU. L'azienda produce componenti elettronici su misura in nitruro di gallio.
Il nitruro di gallio, GaN, è un semiconduttore utilizzato per efficienti diodi emettitori di luce. Potrebbe, tuttavia, essere utile anche in altre applicazioni, come i transistor, poiché può resistere a temperature e intensità di corrente più elevate rispetto a molti altri semiconduttori. Si tratta di proprietà importanti per i futuri componenti elettronici, non ultimo per quelli utilizzati nei veicoli elettrici.
Il vapore di nitruro di gallio viene lasciato condensare su un wafer di carburo di silicio, formando un rivestimento sottile. Il metodo in cui un materiale cristallino viene coltivato su un substrato di un altro è noto come “epitassia”. Il metodo viene spesso utilizzato nell'industria dei semiconduttori poiché offre grande libertà nel determinare sia la struttura cristallina che la composizione chimica della pellicola nanometrica formata.
La combinazione di nitruro di gallio, GaN, e carburo di silicio, SiC (entrambi resistenti a forti campi elettrici), garantisce che i circuiti siano adatti per applicazioni in cui sono necessarie potenze elevate.
L'adattamento superficiale tra i due materiali cristallini, nitruro di gallio e carburo di silicio, è tuttavia scarso. Gli atomi finiscono per non corrispondere tra loro, il che porta al guasto del transistor. Questo problema è stato affrontato dalla ricerca, che successivamente ha portato a una soluzione commerciale, in cui uno strato ancora più sottile di nitruro di alluminio è stato posto tra i due strati.
Gli ingegneri di SweGaN hanno notato per caso che i loro transistor potevano sopportare intensità di campo significativamente più elevate di quanto si aspettassero e inizialmente non sono riusciti a capirne il motivo. La risposta può essere trovata a livello atomico, in un paio di superfici intermedie critiche all’interno dei componenti.
I ricercatori di LiU e SweGaN, guidati da Lars Hultman e Jun Lu di LiU, presentano in Applied Physics Letters una spiegazione del fenomeno e descrivono un metodo per produrre transistor con una capacità ancora maggiore di resistere alle alte tensioni.
Gli scienziati hanno scoperto un meccanismo di crescita epitassiale precedentemente sconosciuto che hanno chiamato “crescita epitassiale transmorfica”. Fa sì che la tensione tra i diversi strati venga gradualmente assorbita attraverso un paio di strati di atomi. Ciò significa che possono far crescere i due strati, nitruro di gallio e nitruro di alluminio, su carburo di silicio in modo da controllare a livello atomico il modo in cui gli strati sono correlati tra loro nel materiale. In laboratorio hanno dimostrato che il materiale resiste ad alte tensioni, fino a 1800 V. Se una tale tensione fosse applicata ad un classico componente a base di silicio, inizierebbero a volare scintille e il transistor verrebbe distrutto.
“Ci congratuliamo con SweGaN mentre iniziano a commercializzare l'invenzione. Mostra una collaborazione efficiente e l’utilizzo dei risultati della ricerca nella società. Grazie allo stretto contatto che abbiamo con i nostri precedenti colleghi che ora lavorano per l’azienda, la nostra ricerca ha rapidamente un impatto anche al di fuori del mondo accademico”, afferma Lars Hultman.
Materiali forniti dall'Università di Linköping. Originale scritto da Monica Westman Svenselius. Nota: il contenuto può essere modificato per stile e lunghezza.
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Orario di pubblicazione: 11 maggio 2020