Galliumnitride, een halfgeleider die een revolutie teweegbracht in energiezuinige LED-verlichting, zou ook elektronica en draadloze communicatie kunnen transformeren, dankzij een ontdekking van Cornell-onderzoekers.

hun papier, "Een door polarisatie geïnduceerd 2-D-gatgas in niet-gedoteerde galliumnitride Quantum Wells, " werd gepubliceerd op 26 september in Wetenschap .

Silicium is lange tijd de koning van halfgeleiders geweest, maar het heeft een beetje geholpen. Het pure materiaal wordt vaak aangevuld, of "gedoopt, " met onzuiverheden zoals fosfor of boor om de stroom te verbeteren door negatieve ladingen (elektronen) of positieve ladingen ("gaten, " de afwezigheid van elektronen) indien nodig.

In recente jaren, een nieuwere, Er is een stevigere familie van in het laboratorium gekweekte samengestelde halfgeleidermaterialen ontstaan:groep III-nitriden. Galliumnitride (GaN) en aluminiumnitride (AlN) en hun legeringen hebben een grotere bandgap, waardoor ze hogere spanningen en hogere frequenties kunnen weerstaan ​​voor snellere, efficiëntere energietransmissie.

"Silicium is erg goed in het in- en uitschakelen en het regelen van de elektrische energiestroom, maar als je het naar hoge spanningen brengt, werkt het niet erg goed omdat silicium een ​​zwakke elektrische sterkte heeft, overwegende dat GaN veel hogere elektrische velden kan aanhouden, " zei co-senior auteur Debdeep Jena, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek en materiaalkunde en techniek "Als je heel grote hoeveelheden energie omzet, dan zijn wide-bandgap halfgeleiders zoals GaN en siliciumcarbide de oplossingen."

In plaats van onzuiverheden te gebruiken, doctoraat leerling Reet Chaudhuri, hoofdauteur van de krant, stapelde een dunne GaN-kristallaag - een kwantumbron genoemd - bovenop een AlN-kristal, en het verschil in hun kristalstructuren bleek een hoge dichtheid aan mobiele gaten te genereren. Vergeleken met magnesiumdoping, de onderzoekers ontdekten dat het resulterende 2D-gatgas de GaN-structuren bijna 10 keer meer geleidend maakt.

Met behulp van de nieuwe materiële structuur gecreëerd door Chaudhuri, co-auteur en Ph.D. student Samuel James Bader demonstreerde onlangs enkele van de meest efficiënte p-type GaN-transistors in een samenwerkingsproject met Intel. Nu het team de mogelijkheid heeft om hole-channel-transistors te maken - die p-type worden genoemd - zijn ze van plan ze te koppelen aan n-type transistors om complexere circuits te vormen. het openen van nieuwe mogelijkheden in high-power schakelen, 5G mobiele technologie en energiezuinige elektronica, inclusief telefoon en laptop opladers.

"Het is erg moeilijk om tegelijkertijd n-type en p-type te bereiken in een halfgeleider met brede bandgap. Op dit moment, siliciumcarbide is de enige andere die beide heeft naast GaN. Maar de mobiele elektronen in siliciumcarbide zijn trager dan die in GaN, " zei co-senior auteur Huili Grace Xing, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek en materiaalkunde en techniek. "Door gebruik te maken van deze complementaire bewerkingen, mogelijk gemaakt door zowel n-type als p-type apparaten, er kan veel meer energie-efficiënte architectuur worden gebouwd."

Een ander voordeel van het 2D-gatgas is dat de geleidbaarheid ervan verbetert naarmate de temperatuur wordt verlaagd, wat betekent dat onderzoekers nu fundamentele GaN-eigenschappen kunnen bestuderen op manieren die voorheen niet mogelijk waren. Even belangrijk is het vermogen om energie vast te houden die anders verloren zou gaan in minder efficiënte energiesystemen.

Voor de ontdekking is een octrooiaanvraag ingediend via het Center for Technology Licensing.