Galliumnitrid, en halvledare som revolutionerade energieffektiva LED-belysning, kan också omvandla elektronik och trådlös kommunikation, tack vare en upptäckt gjord av Cornell -forskare.

Deras papper, "En polariseringsinducerad 2-D-hålgas i otappade galliumnitridkvantbrunnar, "publicerades 26 september Vetenskap .

Kisel har länge varit kungen av halvledare, men det har fått lite hjälp. Det rena materialet förstärks ofta, eller "dopad, "med föroreningar som fosfor eller bor för att förbättra strömflödet genom att tillhandahålla negativa laddningar (elektroner) eller positiva laddningar (" hål, "frånvaron av elektroner) efter behov.

Under de senaste åren har en nyare, en starkare familj av lab-odlade sammansatta halvledarmaterial har uppstått:grupp III-nitrider. Galliumnitrid (GaN) och aluminiumnitrid (AlN) och deras legeringar har en bredare bandgap, så att de tål högre spänningar och högre frekvenser för snabbare, effektivare energitransmission.

"Kisel är mycket bra på att stänga av och på och kontrollera elektrisk energiflöde, men när du tar det till höga spänningar fungerar det inte särskilt bra eftersom kisel har en svag elektrisk styrka, GaN kan upprätthålla mycket högre elektriska fält, "sa medförfattaren Debdeep Jena, professor i el- och datorteknik och materialvetenskap och teknik "Om du gör mycket stora energiomvandlingar, då är halvledare med bredbandsmätning som GaN och kiselkarbid lösningarna. "

Istället för att använda föroreningar, Ph.D. student Reet Chaudhuri, tidningens huvudförfattare, staplade ett tunt GaN -kristallskikt - kallat en kvantbrunn - ovanpå en AlN -kristall, och skillnaden i deras kristallstrukturer visade sig generera en hög densitet av mobila hål. Jämfört med magnesium-dopning, forskarna upptäckte att den resulterande 2-D-hålgasen gör GaN-strukturerna nästan 10 gånger mer ledande.

Med hjälp av den nya materialstrukturen skapad av Chaudhuri, medförfattare och doktorand studenten Samuel James Bader demonstrerade nyligen några av de mest effektiva GaN-transistorerna av p-typ i ett samarbetsprojekt med Intel. Nu när laget har förmågan att göra hålkanaltransistorer-som kallas p-typ-planerar de att para dem med n-typ transistorer för att bilda mer komplexa kretsar, öppnar nya möjligheter för högeffektsomkoppling, 5G -mobilteknik och energieffektiv elektronik, inklusive telefon- och bärbara laddare.

"Det är mycket svårt att samtidigt uppnå n-typ och p-typ i en bred bandgap-halvledare. Just nu, kiselkarbid är den enda andra som har både förutom GaN. Men de mobila elektronerna i kiselkarbid är trögare än de i GaN, "sa medförfattaren Huili Grace Xing, professor i el- och datorteknik samt materialvetenskap och teknik. "Med hjälp av dessa kompletterande operationer aktiverade av både n-typ och p-typ enheter, mycket mer energieffektiv arkitektur kan byggas. "

En annan fördel med 2-D-hålgasen är att dess konduktivitet förbättras när temperaturen sänks, vilket innebär att forskare nu kommer att kunna studera grundläggande GaN -egenskaper på sätt som inte tidigare varit möjliga. Lika viktigt är dess förmåga att behålla energi som annars skulle gå förlorad i mindre effektiva kraftsystem.

En patentansökan har lämnats in genom Center for Technology Licensing för upptäckten.