Um novo método para encaixar camadas de semicondutores tão finas quanto alguns nanômetros resultou não apenas em uma descoberta científica, mas também em um novo tipo de transistor para dispositivos eletrônicos de alta potência. O resultado, publicado na Applied Physics Letters, despertou enorme interesse.
A conquista é o resultado de uma estreita colaboração entre cientistas da Universidade de Linköping e da SweGaN, uma empresa derivada da pesquisa em ciência de materiais na LiU. A empresa fabrica componentes eletrônicos personalizados a partir de nitreto de gálio.
O nitreto de gálio, GaN, é um semicondutor usado para diodos emissores de luz eficientes. No entanto, também pode ser útil em outras aplicações, como transistores, uma vez que pode suportar temperaturas e intensidades de corrente mais altas do que muitos outros semicondutores. Estas são propriedades importantes para futuros componentes eletrônicos, principalmente para aqueles usados em veículos elétricos.
O vapor de nitreto de gálio condensa em uma pastilha de carboneto de silício, formando um revestimento fino. O método no qual um material cristalino é cultivado no substrato de outro é conhecido como “epitaxia”. O método é frequentemente utilizado na indústria de semicondutores, pois proporciona grande liberdade na determinação tanto da estrutura cristalina quanto da composição química do filme nanométrico formado.
A combinação de nitreto de gálio, GaN e carboneto de silício, SiC (ambos os quais podem suportar fortes campos elétricos), garante que os circuitos sejam adequados para aplicações em que são necessárias altas potências.
O ajuste na superfície entre os dois materiais cristalinos, nitreto de gálio e carboneto de silício, é, no entanto, fraco. Os átomos acabam incompatíveis entre si, o que leva à falha do transistor. Isto foi resolvido através de pesquisas, que posteriormente levaram a uma solução comercial, na qual uma camada ainda mais fina de nitreto de alumínio foi colocada entre as duas camadas.
Os engenheiros da SweGaN notaram por acaso que seus transistores poderiam lidar com intensidades de campo significativamente maiores do que esperavam, e inicialmente não conseguiram entender o porquê. A resposta pode ser encontrada no nível atômico – em algumas superfícies intermediárias críticas dentro dos componentes.
Pesquisadores da LiU e SweGaN, liderados por Lars Hultman e Jun Lu da LiU, apresentam na Applied Physics Letters uma explicação do fenômeno e descrevem um método para fabricar transistores com capacidade ainda maior de suportar altas tensões.
Os cientistas descobriram um mecanismo de crescimento epitaxial até então desconhecido que chamaram de “crescimento epitaxial transmórfico”. Isso faz com que a tensão entre as diferentes camadas seja gradualmente absorvida por algumas camadas de átomos. Isso significa que eles podem desenvolver as duas camadas, nitreto de gálio e nitreto de alumínio, em carboneto de silício de maneira a controlar em nível atômico como as camadas estão relacionadas entre si no material. Em laboratório, eles demonstraram que o material suporta altas tensões, de até 1.800 V. Se tal tensão fosse colocada em um componente clássico à base de silício, faíscas começariam a voar e o transistor seria destruído.
“Parabenizamos a SweGaN por começar a comercializar a invenção. Mostra colaboração eficiente e utilização dos resultados da pesquisa na sociedade. Devido ao contacto próximo que temos com os nossos anteriores colegas que agora trabalham para a empresa, a nossa investigação rapidamente tem um impacto também fora do mundo académico”, afirma Lars Hultman.
Materiais fornecidos pela Universidade de Linköping. Original escrito por Monica Westman Svenselius. Nota: O conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e comprimento.
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Horário da postagem: 11 de maio de 2020