วิธีการใหม่ให้ทรานซิสเตอร์ที่แข็งแกร่ง

วิธีการใหม่ในการประกอบชั้นเซมิคอนดักเตอร์ที่บางเพียงไม่กี่นาโนเมตรเข้าด้วยกัน ไม่เพียงแต่ส่งผลให้มีการค้นพบทางวิทยาศาสตร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงทรานซิสเตอร์ชนิดใหม่สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงอีกด้วย ผลลัพธ์ที่ตีพิมพ์ใน Applied Physics Letters ทำให้เกิดความสนใจอย่างมาก

ความสำเร็จนี้เป็นผลมาจากการทำงานร่วมกันอย่างใกล้ชิดระหว่างนักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัย Linköping และ SweGaN ซึ่งเป็นบริษัทที่แยกตัวจากการวิจัยด้านวัสดุศาสตร์ที่ LiU บริษัทผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ออกแบบโดยเฉพาะจากแกลเลียมไนไตรด์

แกลเลียมไนไตรด์ หรือ GaN เป็นสารกึ่งตัวนำที่ใช้สำหรับไดโอดเปล่งแสงที่มีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม มันยังอาจมีประโยชน์ในการใช้งานอื่นๆ เช่น ทรานซิสเตอร์ เนื่องจากสามารถทนต่ออุณหภูมิและความแรงของกระแสไฟฟ้าที่สูงกว่าเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ หลายตัว สิ่งเหล่านี้เป็นคุณสมบัติที่สำคัญสำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต ไม่น้อยกับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ในยานพาหนะไฟฟ้า

ไอของแกลเลียมไนไตรด์จะถูกปล่อยให้ควบแน่นบนแผ่นเวเฟอร์ของซิลิคอนคาร์ไบด์ ทำให้เกิดเป็นสารเคลือบบางๆ วิธีการปลูกวัสดุผลึกหนึ่งบนพื้นผิวของอีกวัสดุหนึ่งเรียกว่า “อีพิแทกซี” วิธีนี้มักใช้ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ เนื่องจากให้อิสระอย่างมากในการกำหนดทั้งโครงสร้างผลึกและองค์ประกอบทางเคมีของฟิล์มนาโนเมตรที่เกิดขึ้น

การรวมกันของแกลเลียมไนไตรด์, GaN และซิลิคอนคาร์ไบด์, SiC (ทั้งสองอย่างนี้สามารถทนต่อสนามไฟฟ้าแรงสูงได้) ช่วยให้มั่นใจได้ว่าวงจรจะเหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องใช้กำลังสูง

อย่างไรก็ตาม ความพอดีที่พื้นผิวระหว่างวัสดุผลึกทั้งสองชนิด ได้แก่ แกลเลียมไนไตรด์และซิลิกอนคาร์ไบด์นั้นทำได้ไม่ดีนัก อะตอมไม่ตรงกันซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวของทรานซิสเตอร์ ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขแล้วโดยการวิจัย ซึ่งต่อมาได้นำไปสู่วิธีแก้ปัญหาเชิงพาณิชย์ โดยมีการวางชั้นอะลูมิเนียมไนไตรด์ที่บางลงระหว่างสองชั้น

วิศวกรที่ SweGaN สังเกตเห็นโดยบังเอิญว่าทรานซิสเตอร์สามารถรับมือกับความแรงของสนามแม่เหล็กที่สูงกว่าที่พวกเขาคาดไว้อย่างมาก และพวกเขาไม่เข้าใจในตอนแรกว่าทำไม คำตอบสามารถพบได้ในระดับอะตอม — ในพื้นผิวขั้นกลางที่สำคัญสองสามจุดภายในส่วนประกอบ

นักวิจัยจาก LiU และ SweGaN ซึ่งนำโดย Lars Hultman และ Jun Lu จาก LiU ได้นำเสนอคำอธิบายปรากฏการณ์นี้ใน Applied Physics Letters และอธิบายวิธีการผลิตทรานซิสเตอร์ที่มีความสามารถในการทนต่อแรงดันไฟฟ้าสูงได้ดียิ่งขึ้น

นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบกลไกการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวที่ไม่ทราบมาก่อนซึ่งพวกเขาตั้งชื่อว่า "การเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวแบบ transmorphic" มันทำให้ความเครียดระหว่างชั้นต่างๆ ค่อยๆ ดูดซับผ่านอะตอมสองสามชั้น ซึ่งหมายความว่าพวกมันสามารถขยายสองชั้น ได้แก่ แกลเลียมไนไตรด์และอะลูมิเนียมไนไตรด์บนซิลิคอนคาร์ไบด์ในลักษณะเพื่อควบคุมในระดับอะตอมว่าชั้นต่างๆ มีความสัมพันธ์กันในวัสดุอย่างไร ในห้องปฏิบัติการ พวกเขาได้แสดงให้เห็นว่าวัสดุทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 1800 โวลต์ หากแรงดันไฟฟ้าดังกล่าวถูกวางไว้บนส่วนประกอบที่ใช้ซิลิคอนแบบคลาสสิก ประกายไฟจะเริ่มบินและทรานซิสเตอร์จะถูกทำลาย

“เราขอแสดงความยินดีกับ SweGaN ที่พวกเขาเริ่มทำการตลาดสิ่งประดิษฐ์นี้ แสดงให้เห็นถึงความร่วมมือที่มีประสิทธิภาพและการใช้ประโยชน์จากผลงานวิจัยในสังคม เนื่องจากเรามีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับเพื่อนร่วมงานก่อนหน้านี้ซึ่งปัจจุบันทำงานให้กับบริษัท การวิจัยของเราจึงส่งผลกระทบอย่างรวดเร็วนอกโลกวิชาการด้วย” Lars Hultman กล่าว

วัสดุที่จัดทำโดยมหาวิทยาลัยLinköping ต้นฉบับเขียนโดยโมนิกา เวสต์แมน สเวนเซลิอุส หมายเหตุ: เนื้อหาอาจมีการแก้ไขรูปแบบและความยาว

รับข่าวสารวิทยาศาสตร์ล่าสุดด้วยจดหมายข่าวทางอีเมลฟรีของ ScienceDaily อัปเดตรายวันและรายสัปดาห์ หรือดูฟีดข่าวที่อัปเดตทุกชั่วโมงในโปรแกรมอ่าน RSS ของคุณ:

บอกเราว่าคุณคิดอย่างไรกับ ScienceDaily เรายินดีรับความคิดเห็นทั้งเชิงบวกและเชิงลบ มีปัญหาในการใช้งานเว็บไซต์หรือไม่? คำถาม?