I mikroelektroniska enheter, bandgapet är en viktig faktor som bestämmer den elektriska ledningsförmågan hos de underliggande materialen. Ämnen med stora bandgap är i allmänhet isolatorer som inte leder elektriciteten bra, och de med mindre bandgap är halvledare. En nyare klass av halvledare med ultravida bandgap (UWB) kan arbeta vid mycket högre temperaturer och effekter än konventionella kiselbaserade chips med litet bandgap gjorda med mogna bandgapmaterial som kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN).

I Journal of Applied Physics , forskare vid University of Florida, U.S. Naval Research Laboratory och Korea University ger ett detaljerat perspektiv på egenskaperna, Förmågor, nuvarande begränsningar och framtida utvecklingar för en av de mest lovande UWB-föreningarna, galliumoxid (Ga2O3).

Galliumoxid har ett extremt brett bandgap på 4,8 elektronvolt (eV) som dvärgar kiselns 1,1 eV och överstiger de 3,3 eV som SiC och GaN uppvisar. Skillnaden ger Ga2O3 förmågan att motstå ett större elektriskt fält än kisel, SiC och GaN kan utan att gå sönder. Vidare, Ga2O3 hanterar samma mängd spänning över ett kortare avstånd. Detta gör den ovärderlig för att producera mindre, effektivare transistorer med hög effekt.

"Galliumoxid erbjuder halvledartillverkare ett mycket användbart substrat för mikroelektroniska enheter, sade Stephen Pearlon, professor i materialvetenskap och teknik vid University of Florida och en författare på tidningen. "Föreningen verkar idealisk för användning i kraftdistributionssystem som laddar elbilar eller omvandlare som flyttar el till elnätet från alternativa energikällor som vindkraftverk."

Pearton och hans kollegor tittade också på potentialen för Ga2O3 som bas för metall-oxid-halvledarfälteffekttransistorer, mer känd som MOSFETs. "Traditionellt, dessa små elektroniska omkopplare är gjorda av kisel för användning i bärbara datorer, smarta telefoner och annan elektronik, " sa Pearton. "För system som laddningsstationer för elbilar, vi behöver MOSFET:er som kan fungera på högre effektnivåer än kiselbaserade enheter och det är där galliumoxid kan vara lösningen."

För att uppnå dessa avancerade MOSFET:er, författarna fastställde att förbättrad grinddielektrik behövs, tillsammans med termiska hanteringsmetoder som mer effektivt extraherar värme från enheterna. Pearton drog slutsatsen att Ga2O3 inte kommer att ersätta SiC och GaN som nästa primära halvledarmaterial efter kisel, men mer sannolikt kommer att spela en roll för att utöka utbudet av krafter och spänningar som är tillgängliga för system med ultrabred bandgap.

"Den mest lovande applikationen kan vara högspänningslikriktare i kraftkonditionering och distributionssystem som elbilar och solcellssystem, " han sa.