En ny metod för att passa ihop lager av halvledare så tunna som några nanometer har resulterat i inte bara en vetenskaplig upptäckt utan också en ny typ av transistor för elektroniska enheter med hög effekt. Resultatet, publicerat i Applied Physics Letters, har väckt stort intresse.
Prestationen är resultatet av ett nära samarbete mellan forskare vid Linköpings universitet och SweGaN, ett spin-off företag från materialvetenskaplig forskning vid LiU. Företaget tillverkar skräddarsydda elektroniska komponenter av galliumnitrid.
Galliumnitrid, GaN, är en halvledare som används för effektiva ljusemitterande dioder. Det kan dock också vara användbart i andra applikationer, såsom transistorer, eftersom det tål högre temperaturer och strömstyrkor än många andra halvledare. Det är viktiga egenskaper för framtida elektroniska komponenter, inte minst för de som används i elfordon.
Galliumnitridånga tillåts kondensera på en skiva av kiselkarbid och bildar en tunn beläggning. Metoden där ett kristallint material odlas på ett substrat av ett annat kallas "epitaxi". Metoden används ofta inom halvledarindustrin eftersom den ger stor frihet att bestämma både kristallstrukturen och den kemiska sammansättningen av den bildade nanometerfilmen.
Kombinationen av galliumnitrid, GaN, och kiselkarbid, SiC (som båda tål starka elektriska fält), säkerställer att kretsarna är lämpliga för applikationer där höga effekter krävs.
Passningen vid ytan mellan de två kristallina materialen, galliumnitrid och kiselkarbid, är dock dålig. Atomerna hamnar inte i överensstämmelse med varandra, vilket leder till att transistorn misslyckas. Detta har tagits upp av forskning, som sedan ledde till en kommersiell lösning, där ett ännu tunnare lager av aluminiumnitrid placerades mellan de två lagren.
Ingenjörerna på SweGaN märkte av en slump att deras transistorer kunde klara av betydligt högre fältstyrkor än de hade förväntat sig, och de kunde till en början inte förstå varför. Svaret kan hittas på atomnivå — i ett par kritiska mellanytor inuti komponenterna.
Forskare vid LiU och SweGaN, med LiU:s Lars Hultman och Jun Lu i spetsen, presenterar i Applied Physics Letters en förklaring av fenomenet, och beskriver en metod att tillverka transistorer med ännu större förmåga att stå emot höga spänningar.
Forskarna har upptäckt en tidigare okänd epitaxiell tillväxtmekanism som de har kallat "transmorf epitaxiell tillväxt." Det gör att spänningen mellan de olika lagren gradvis absorberas över ett par lager av atomer. Det betyder att de kan odla de två skikten, galliumnitrid och aluminiumnitrid, på kiselkarbid på ett sätt för att på atomnivå styra hur skikten är relaterade till varandra i materialet. I laboratoriet har man visat att materialet tål höga spänningar, upp till 1800 V. Om en sådan spänning placerades över en klassisk kiselbaserad komponent skulle gnistor börja flyga och transistorn skulle förstöras.
”Vi gratulerar SweGaN när de börjar marknadsföra uppfinningen. Det visar på effektiv samverkan och utnyttjande av forskningsresultat i samhället. Tack vare den nära kontakt vi har med våra tidigare kollegor som nu arbetar för företaget får vår forskning snabbt genomslag även utanför den akademiska världen, säger Lars Hultman.
Material tillhandahålls av Linköpings universitet. Original skrivet av Monica Westman Svenselius. Obs! Innehållet kan redigeras för stil och längd.
Få de senaste vetenskapsnyheterna med ScienceDailys kostnadsfria nyhetsbrev via e-post, som uppdateras dagligen och varje vecka. Eller se uppdaterade nyhetsflöden varje timme i din RSS-läsare:
Berätta för oss vad du tycker om ScienceDaily - vi välkomnar både positiva och negativa kommentarer. Har du problem med att använda sidan? Frågor?
Posttid: 11 maj 2020