Een nieuwe methode om lagen halfgeleiders zo dun als enkele nanometers in elkaar te passen, heeft niet alleen geleid tot een wetenschappelijke ontdekking, maar ook tot een nieuw type transistor voor elektronische apparaten met hoog vermogen. Het resultaat, gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven , grote belangstelling heeft gewekt.

De prestatie is het resultaat van een nauwe samenwerking tussen wetenschappers van Linköping University en SweGaN, een spin-off bedrijf van materiaalwetenschappelijk onderzoek bij LiU. Het bedrijf vervaardigt op maat gemaakte elektronische componenten van galliumnitride.

Elektrische voertuigen

Galliumnitride, GaN, is een halfgeleider die wordt gebruikt voor efficiënte light-emitting diodes. Het kan, echter, ook nuttig zijn in andere toepassingen, zoals transistoren, omdat het bestand is tegen hogere temperaturen en stroomsterkten dan veel andere halfgeleiders. Dit zijn belangrijke eigenschappen voor toekomstige elektronische componenten, niet in het minst voor degenen die in elektrische voertuigen worden gebruikt.

Galliumnitridedamp laat condenseren op een plak siliciumcarbide, vormt een dunne laag. De methode waarbij het ene kristallijne materiaal op een substraat van een ander wordt gekweekt, staat bekend als 'epitaxie'. De methode wordt vaak gebruikt in de halfgeleiderindustrie omdat deze een grote vrijheid biedt bij het bepalen van zowel de kristalstructuur als de chemische samenstelling van de gevormde nanometerfilm.

De combinatie van galliumnitride, GaN, en siliciumcarbide, SiC (die beide sterke elektrische velden kunnen weerstaan), zorgt ervoor dat de schakelingen geschikt zijn voor toepassingen waarbij hoge vermogens nodig zijn.

De passing aan het oppervlak tussen de twee kristallijne materialen, galliumnitride en siliciumcarbide, is, echter, arm. De atomen komen uiteindelijk niet overeen met elkaar, wat leidt tot het falen van de transistor. Dit is verholpen door onderzoek, wat vervolgens leidde tot een commerciële oplossing, waarin een nog dunnere laag aluminiumnitride tussen de twee lagen is geplaatst.

De ingenieurs van SweGaN merkten bij toeval dat hun transistors aanzienlijk hogere veldsterkten aankonden dan ze hadden verwacht, en ze konden aanvankelijk niet begrijpen waarom. Het antwoord is te vinden op atomair niveau - in een aantal kritische tussenliggende oppervlakken in de componenten.

Transmorfe epitaxiale groei

Onderzoekers van LiU en SweGaN, onder leiding van LiU's Lars Hultman en Jun Lu, aanwezig in Technische Natuurkunde Brieven een verklaring van het fenomeen, en een methode beschrijven om transistors te vervaardigen met een nog groter vermogen om hoge spanningen te weerstaan.

De wetenschappers hebben een voorheen onbekend epitaxiaal groeimechanisme ontdekt dat ze 'transmorfe epitaxiale groei' hebben genoemd. Het zorgt ervoor dat de spanning tussen de verschillende lagen geleidelijk wordt geabsorbeerd over een aantal lagen atomen. Dit betekent dat ze de twee lagen kunnen laten groeien, galliumnitride en aluminiumnitride, op siliciumcarbide op een manier om op atomair niveau te controleren hoe de lagen in het materiaal aan elkaar gerelateerd zijn. In het laboratorium hebben ze aangetoond dat het materiaal bestand is tegen hoge spanningen, tot 1800 V. Als een dergelijke spanning over een klassieke component op siliciumbasis zou worden geplaatst, vonken zouden vliegen en de transistor zou worden vernietigd.

"We feliciteren SweGaN met het op de markt brengen van de uitvinding. Het toont een efficiënte samenwerking en het gebruik van onderzoeksresultaten in de samenleving. Door het nauwe contact dat we hebben met onze vorige collega's die nu voor het bedrijf werken, ons onderzoek heeft snel impact ook buiten de academische wereld, ', zegt Lars Hultman.