Nowa metoda łączenia ze sobą warstw półprzewodników o grubości zaledwie kilku nanometrów zaowocowała nie tylko odkryciem naukowym, ale także nowym typem tranzystora do urządzeń elektronicznych dużej mocy. Wynik, opublikowany w czasopiśmie Applied Physics Letters, wzbudził ogromne zainteresowanie.
Osiągnięcie to jest wynikiem ścisłej współpracy naukowców z Uniwersytetu w Linköping i SweGaN, spółki spin-off zajmującej się badaniami w zakresie inżynierii materiałowej na LiU. Firma produkuje na zamówienie komponenty elektroniczne z azotku galu.
Azotek galu, GaN, to półprzewodnik stosowany w wydajnych diodach elektroluminescencyjnych. Może jednak być również przydatny w innych zastosowaniach, takich jak tranzystory, ponieważ może wytrzymać wyższe temperatury i natężenia prądu niż wiele innych półprzewodników. Są to ważne właściwości przyszłych komponentów elektronicznych, zwłaszcza tych stosowanych w pojazdach elektrycznych.
Pary azotku galu mogą skroplić się na płytce z węglika krzemu, tworząc cienką powłokę. Metoda, w której jeden materiał krystaliczny hoduje się na podłożu innego, nazywana jest „epitaksją”. Metoda ta jest często stosowana w przemyśle półprzewodników, ponieważ zapewnia dużą swobodę w określaniu zarówno struktury kryształu, jak i składu chemicznego utworzonej warstwy nanometrowej.
Połączenie azotku galu, GaN i węglika krzemu, SiC (oba są odporne na silne pola elektryczne), dzięki czemu obwody nadają się do zastosowań, w których wymagana jest duża moc.
Dopasowanie powierzchniowe pomiędzy dwoma materiałami krystalicznymi, azotkiem galu i węglikiem krzemu, jest jednak słabe. Atomy są do siebie niedopasowane, co prowadzi do awarii tranzystora. Problem ten rozwiązano w badaniach, które następnie doprowadziły do komercyjnego rozwiązania, w którym pomiędzy dwiema warstwami umieszczono jeszcze cieńszą warstwę azotku glinu.
Inżynierowie ze SweGaN przypadkowo zauważyli, że ich tranzystory radzą sobie ze znacznie większymi natężeniami pola, niż się spodziewali, i początkowo nie mogli zrozumieć, dlaczego. Odpowiedź można znaleźć na poziomie atomowym – w kilku krytycznych powierzchniach pośrednich wewnątrz komponentów.
Naukowcy z LiU i SweGaN, pod kierownictwem Larsa Hultmana i Jun Lu z LiU, przedstawiają w Applied Physics Letters wyjaśnienie tego zjawiska i opisują metodę wytwarzania tranzystorów o jeszcze większej odporności na wysokie napięcia.
Naukowcy odkryli nieznany wcześniej mechanizm wzrostu epitaksjalnego, który nazwali „transmorficznym wzrostem epitaksjalnym”. Powoduje to, że naprężenia pomiędzy różnymi warstwami są stopniowo absorbowane przez kilka warstw atomów. Oznacza to, że mogą hodować dwie warstwy, azotek galu i azotek glinu, na węgliku krzemu w sposób pozwalający kontrolować na poziomie atomowym wzajemne powiązanie warstw w materiale. W laboratorium wykazano, że materiał wytrzymuje wysokie napięcia, aż do 1800 V. Gdyby takie napięcie przyłożyć do klasycznego elementu na bazie krzemu, zaczęłyby lecieć iskry, a tranzystor uległby zniszczeniu.
„Gratulujemy firmie SweGaN rozpoczęcia wprowadzania wynalazku na rynek. Pokazuje efektywną współpracę i wykorzystanie wyników badań w społeczeństwie. Dzięki bliskim kontaktom z naszymi poprzednimi kolegami, którzy obecnie pracują dla firmy, nasze badania szybko zyskują wpływ także poza światem akademickim” – mówi Lars Hultman.
Materiały udostępnione przez Uniwersytet w Linköping. Oryginał napisany przez Monikę Westman Svenselius. Uwaga: treść może być edytowana pod względem stylu i długości.
Otrzymuj najnowsze wiadomości naukowe dzięki bezpłatnym biuletynom e-mailowym ScienceDaily, aktualizowanym codziennie i co tydzień. Lub przeglądaj co godzinę aktualizowane kanały informacyjne w swoim czytniku RSS:
Podziel się z nami swoją opinią o ScienceDaily — jesteśmy otwarci zarówno na pozytywne, jak i negatywne komentarze. Masz problemy z korzystaniem z serwisu? Pytania?
Czas publikacji: 11 maja 2020 r