In micro-elektronische apparaten, de bandgap is een belangrijke factor die de elektrische geleidbaarheid van de onderliggende materialen bepaalt. Stoffen met grote bandgaps zijn over het algemeen isolatoren die elektriciteit niet goed geleiden, en die met kleinere bandgaps zijn halfgeleiders. Een recentere klasse van halfgeleiders met ultrabrede bandgaps (UWB) kan werken bij veel hogere temperaturen en vermogens dan conventionele chips op basis van silicium met kleine bandgap, gemaakt met volwassen bandgapmaterialen zoals siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN).

In de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde , onderzoekers van de Universiteit van Florida, het U.S. Naval Research Laboratory en de Korea University bieden een gedetailleerd perspectief op de eigenschappen, mogelijkheden, huidige beperkingen en toekomstige ontwikkelingen voor een van de meest veelbelovende UWB-verbindingen, galliumoxide (Ga2O3).

Galliumoxide heeft een extreem brede bandgap van 4,8 elektronvolt (eV) die de 1,1 eV van silicium in de schaduw stelt en de 3,3 eV van SiC en GaN overschrijdt. Het verschil geeft Ga2O3 het vermogen om een ​​groter elektrisch veld te weerstaan ​​dan silicium, SiC en GaN kunnen zonder kapot te gaan. Verder, Ga2O3 verwerkt dezelfde hoeveelheid spanning over een kortere afstand. Dit maakt het van onschatbare waarde voor het produceren van kleinere, efficiëntere hoogvermogentransistoren.

"Galliumoxide biedt halfgeleiderfabrikanten een zeer toepasbaar substraat voor micro-elektronische apparaten, " zei Stephen Pearton, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Florida en een auteur op het papier. "De verbinding lijkt ideaal voor gebruik in stroomdistributiesystemen die elektrische auto's of converters opladen die elektriciteit van alternatieve energiebronnen zoals windturbines naar het elektriciteitsnet brengen."

Pearton en zijn collega's keken ook naar het potentieel voor Ga2O3 als basis voor metaaloxide-halfgeleider veldeffecttransistoren, beter bekend als MOSFET's. "Traditioneel, deze kleine elektronische schakelaars zijn gemaakt van silicium voor gebruik in laptops, smartphones en andere elektronica, Pearton zei. "Voor systemen zoals laadstations voor elektrische auto's, we hebben MOSFET's nodig die op hogere vermogensniveaus kunnen werken dan op silicium gebaseerde apparaten en dat is waar galliumoxide de oplossing zou kunnen zijn."

Om deze geavanceerde MOSFET's te bereiken, de auteurs hebben vastgesteld dat verbeterde poortdiëlektrica nodig zijn, samen met benaderingen voor thermisch beheer die de warmte effectiever uit de apparaten halen. Pearton concludeerde dat Ga2O3 SiC en GaN niet zal vervangen als de volgende primaire halfgeleidermaterialen na silicium, maar zal waarschijnlijk een rol spelen bij het uitbreiden van het bereik van vermogens en spanningen die toegankelijk zijn voor ultrabrede bandgap-systemen.

"De meest veelbelovende toepassing zou kunnen zijn als hoogspanningsgelijkrichters in stroomconditionerings- en distributiesystemen zoals elektrische auto's en fotovoltaïsche zonnesystemen, " hij zei.