Silicium is al lang het go-to-materiaal in de wereld van micro-elektronica en halfgeleidertechnologie. Maar silicium heeft nog steeds te maken met beperkingen, vooral met schaalbaarheid voor stroomtoepassingen. Om de halfgeleidertechnologie volledig tot zijn recht te laten komen, zijn kleinere ontwerpen met een hogere energiedichtheid nodig.

"Een van de grootste tekortkomingen in de wereld van micro-elektronica is altijd goed gebruik van stroom:ontwerpers zijn altijd op zoek naar manieren om overtollig stroomverbruik en onnodige warmteopwekking te verminderen, " zei Gregg Jessen, hoofdelektronica-ingenieur bij het Air Force Research Laboratory. "Gebruikelijk, u zou dit doen door de apparaten te schalen. Maar de technologieën die tegenwoordig worden gebruikt, zijn al dicht bij hun limieten geschaald voor de bedrijfsspanning die in veel toepassingen wordt gewenst. Ze worden beperkt door hun kritische elektrische veldsterkte."

Transparante geleidende oxiden zijn een belangrijk opkomend materiaal in de halfgeleidertechnologie, biedt de onwaarschijnlijke combinatie van geleidbaarheid en transparantie over het visuele spectrum. Eén geleidend oxide in het bijzonder heeft unieke eigenschappen waardoor het goed kan functioneren bij het schakelen van stroom:Ga2O3, of galliumoxide, een materiaal met een ongelooflijk grote bandgap.

In hun artikel dat deze week is gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven , auteurs Masataka Higashiwaki en Jessen schetsen een pleidooi voor het produceren van micro-elektronica met behulp van galliumoxide. De auteurs richten zich op veldeffecttransistoren (FET's), apparaten die enorm kunnen profiteren van de grote kritische elektrische veldsterkte van galliumoxide. een kwaliteit waarvan Jessen zei dat het het ontwerp van FET's met kleinere geometrieën en agressieve dopingprofielen mogelijk zou maken die elk ander FET-materiaal zouden vernietigen.

De flexibiliteit van het materiaal voor verschillende toepassingen is te danken aan het brede scala aan mogelijke geleidbaarheid - van zeer geleidend tot zeer isolerend - en hoge doorslagspanningen vanwege de elektrische veldsterkte. Bijgevolg, galliumoxide kan in extreme mate worden geschaald. Galliumoxidewafels met een groot oppervlak kunnen ook uit de smelt worden gekweekt, productiekosten verlagen.

"De volgende toepassing voor galliumoxide zijn unipolaire FET's voor voedingen, "Zei Jessen. "Kritische veldsterkte is hier de belangrijkste maatstaf, en het resulteert in superieure energiedichtheidscapaciteiten. De kritische veldsterkte van galliumoxide is meer dan 20 keer die van silicium en meer dan twee keer die van siliciumcarbide en galliumnitride."

De auteurs bespreken productiemethoden voor Ga2O3-wafels, het vermogen om de elektronendichtheid te regelen, en de uitdagingen met gatentransport. Hun onderzoek suggereert dat unipolaire Ga2O3-apparaten zullen domineren. Hun paper beschrijft ook Ga2O3-toepassingen in verschillende soorten FET's en hoe het materiaal van dienst kan zijn in hoogspanning, high-power en power-switching toepassingen.

"Vanuit een onderzoeksperspectief, galliumoxide is echt spannend, " Jessen. "We beginnen net het volledige potentieel van deze apparaten voor verschillende toepassingen te begrijpen, en het is een geweldige tijd om betrokken te zijn in het veld."