Elektrotechnici van de Universiteit van Illinois hebben een nieuwe hindernis genomen in de fabricage van krachtige halfgeleiders door het heetste materiaal van het veld - bèta-galliumoxide - aan hun arsenaal toe te voegen. Bèta-galliumoxide is direct beschikbaar en belooft stroom sneller en efficiënter om te zetten dan de huidige toonaangevende halfgeleidermaterialen - galliumnitride en silicium, aldus de onderzoekers.

Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Platte transistoren zijn zo klein geworden als fysiek mogelijk is, maar onderzoekers hebben dit probleem aangepakt door verticaal te gaan. Met een techniek genaamd metal-assisted chemical etching - of MacEtch - U. van I. ingenieurs gebruikten een chemische oplossing om halfgeleiders in 3D-vinstructuren te etsen. De vinnen vergroten het oppervlak op een chip, waardoor meer transistoren of stroom mogelijk zijn, en kan daarom meer vermogen aan terwijl de voetafdruk van de chip even groot blijft.

Ontwikkeld aan de U. of I., de MacEtch-methode is superieur aan traditionele "droge" etstechnieken omdat het veel minder schadelijk is voor delicate halfgeleideroppervlakken, zoals bèta-galliumoxide, aldus onderzoekers.

"Galliumoxide heeft een grotere energiekloof waarin elektronen vrij kunnen bewegen, " zei hoofdauteur Xiuling Li van de studie, een professor in elektrische en computertechniek. "Deze energiekloof moet groot zijn voor elektronica met hogere spanningen en zelfs voor lage spanningen met snelle schakelfrequenties, dus we zijn erg geïnteresseerd in dit soort materiaal voor gebruik in moderne apparaten. Echter, het heeft een complexere kristalstructuur dan puur silicium, waardoor het moeilijk te controleren is tijdens het etsproces."

Het toepassen van MacEtch op galliumoxidekristallen zou de halfgeleiderindustrie ten goede kunnen komen, Li zei, maar de vooruitgang is niet zonder hindernissen.

"Direct, het etsproces is erg traag, ' zei ze. 'Vanwege de lage snelheid en de complexe kristalstructuur van het materiaal, de geproduceerde 3D-vinnen zijn niet perfect verticaal, en verticale vinnen zijn ideaal voor efficiënt gebruik van kracht."

In de nieuwe studie het bèta-galliumoxidesubstraat geproduceerd driehoekig, trapeziumvormige en taps toelopende vinnen, afhankelijk van de oriëntatie van de lay-out van de metaalkatalysator ten opzichte van de kristallen. Hoewel deze vormen niet ideaal zijn, de onderzoekers waren verrast toen ze ontdekten dat ze nog steeds beter stroom kunnen geleiden dan de flat, ongeëtste beta-galliumoxide-oppervlakken.

"We weten niet zeker waarom dit het geval is, maar we beginnen wat aanwijzingen te krijgen door karakteriseringen op atomair niveau van het materiaal uit te voeren, " zei Li. "Het komt erop neer dat we hebben aangetoond dat het mogelijk is om het MacEtch-proces te gebruiken om bèta-galliumoxide te fabriceren, een potentieel goedkoop alternatief voor galliumnitride, met een goede interfacekwaliteit."

Li zei dat verder onderzoek de trage etssnelheid moet aanpakken, hoogwaardige bèta-galliumoxide-apparaten mogelijk maken, en probeer het probleem van lage thermische geleidbaarheid te omzeilen.

"Het verhogen van de etssnelheid zou het vermogen van het proces om meer verticale vinnen te vormen moeten verbeteren, " zei ze. "Dit komt omdat het proces zo snel zal gebeuren dat het geen tijd zal hebben om te reageren op alle verschillen in kristaloriëntaties."

Het probleem van de lage thermische geleidbaarheid is een dieper probleem, ze zei. "High-power elektronica produceert veel warmte, en apparaatonderzoekers zijn actief op zoek naar oplossingen voor thermische engineering. Hoewel dit op dit moment een wijd open aspect is in het halfgeleiderveld, 3D-structuren zoals wat we hebben gedemonstreerd, kunnen bij sommige apparaattypes helpen om de hitte beter te geleiden."