Een nieuwe methode om lagen halfgeleiders zo dun als een paar nanometer aan elkaar te passen heeft niet alleen geresulteerd in een wetenschappelijke ontdekking, maar ook in een nieuw type transistor voor elektronische apparaten met hoog vermogen. Het resultaat, gepubliceerd in Applied Physics Letters, heeft grote belangstelling gewekt.
De prestatie is het resultaat van een nauwe samenwerking tussen wetenschappers van de Universiteit van Linköping en SweGaN, een spin-off bedrijf van materiaalwetenschappelijk onderzoek bij LiU. Het bedrijf produceert op maat gemaakte elektronische componenten uit galliumnitride.
Galliumnitride, GaN, is een halfgeleider die wordt gebruikt voor efficiënte lichtgevende diodes. Het kan echter ook nuttig zijn in andere toepassingen, zoals transistors, omdat het bestand is tegen hogere temperaturen en stroomsterktes dan veel andere halfgeleiders. Dit zijn belangrijke eigenschappen voor toekomstige elektronische componenten, niet in de laatste plaats voor de componenten die in elektrische voertuigen worden gebruikt.
Galliumnitridedamp laat men condenseren op een wafer van siliciumcarbide, waardoor een dunne coating ontstaat. De methode waarbij het ene kristallijne materiaal op een substraat van een ander wordt gekweekt, staat bekend als ‘epitaxie’. De methode wordt vaak gebruikt in de halfgeleiderindustrie, omdat deze een grote vrijheid biedt bij het bepalen van zowel de kristalstructuur als de chemische samenstelling van de gevormde nanometerfilm.
De combinatie van galliumnitride, GaN, en siliciumcarbide, SiC (beide bestand tegen sterke elektrische velden), zorgt ervoor dat de circuits geschikt zijn voor toepassingen waarbij hoge vermogens nodig zijn.
De passing aan het oppervlak tussen de twee kristallijne materialen, galliumnitride en siliciumcarbide, is echter slecht. De atomen passen uiteindelijk niet bij elkaar, wat leidt tot het falen van de transistor. Onderzoek heeft hier gehoor aan gegeven, wat vervolgens heeft geleid tot een commerciële oplossing, waarbij tussen de twee lagen een nog dunnere laag aluminiumnitride werd aangebracht.
De ingenieurs van SweGaN merkten bij toeval dat hun transistors aanzienlijk hogere veldsterktes aankonden dan ze hadden verwacht, en ze konden aanvankelijk niet begrijpen waarom. Het antwoord kan worden gevonden op atomair niveau – in een paar kritische tussenoppervlakken binnen de componenten.
Onderzoekers van LiU en SweGaN, onder leiding van Lars Hultman en Jun Lu van LiU, presenteren in Applied Physics Letters een verklaring van het fenomeen en beschrijven een methode om transistors te vervaardigen met een nog groter vermogen om hoge spanningen te weerstaan.
De wetenschappers hebben een voorheen onbekend epitaxiaal groeimechanisme ontdekt dat ze ‘transmorfe epitaxiale groei’ hebben genoemd. Het zorgt ervoor dat de spanning tussen de verschillende lagen geleidelijk wordt geabsorbeerd over een paar atomenlagen. Dit betekent dat ze de twee lagen, galliumnitride en aluminiumnitride, op siliciumcarbide kunnen laten groeien op een manier die op atomair niveau controleert hoe de lagen in het materiaal met elkaar in verband staan. In het laboratorium hebben ze aangetoond dat het materiaal bestand is tegen hoge spanningen, tot 1800 V. Als zo'n spanning over een klassiek component op siliciumbasis zou worden geplaatst, zouden er vonken gaan vliegen en zou de transistor kapot gaan.
“We feliciteren SweGaN met het op de markt brengen van de uitvinding. Het toont efficiënte samenwerking en benutting van onderzoeksresultaten in de samenleving. Door het nauwe contact dat we hebben met onze voormalige collega’s die nu voor het bedrijf werken, heeft ons onderzoek snel ook impact buiten de academische wereld”, zegt Lars Hultman.
Materialen verstrekt door de Universiteit van Linköping. Origineel geschreven door Monica Westman Svenselius. Opmerking: de inhoud kan qua stijl en lengte worden aangepast.
Ontvang het laatste wetenschappelijke nieuws met de gratis e-mailnieuwsbrieven van ScienceDaily, die dagelijks en wekelijks worden bijgewerkt. Of bekijk elk uur bijgewerkte nieuwsfeeds in uw RSS-lezer:
Vertel ons wat u van ScienceDaily vindt – we verwelkomen zowel positieve als negatieve reacties. Heeft u problemen bij het gebruik van de site? Vragen?
Posttijd: 11 mei 2020