En ny metod för att passa ihop lager av halvledare så tunna som några nanometer har resulterat i inte bara en vetenskaplig upptäckt utan också en ny typ av transistor för kraftfulla elektroniska enheter. Resultatet, publicerad i Tillämpad fysikbokstäver , har väckt stort intresse.

Prestationen är resultatet av ett nära samarbete mellan forskare vid Linköpings universitet och SweGaN, ett avknoppningsföretag från materialvetenskaplig forskning vid LiU. Företaget tillverkar skräddarsydda elektroniska komponenter från galliumnitrid.

Elektriska fordon

Galliumnitrid, GaN, är en halvledare som används för effektiva ljusemitterande dioder. Det kan, dock, också vara användbart i andra applikationer, såsom transistorer, eftersom den tål högre temperaturer och strömstyrkor än många andra halvledare. Dessa är viktiga egenskaper för framtida elektroniska komponenter, inte minst för de som används i elfordon.

Galliumnitridånga får kondensera på en skiva av kiselkarbid, bildar en tunn beläggning. Metoden där ett kristallint material odlas på ett annat substrat kallas "epitaxy". Metoden används ofta i halvledarindustrin eftersom den ger stor frihet att bestämma både kristallstrukturen och den kemiska sammansättningen av den bildade nanometerfilmen.

Kombinationen av galliumnitrid, GaN, och kiselkarbid, SiC (som båda tål starka elektriska fält), säkerställer att kretsarna är lämpliga för applikationer där höga effekter krävs.

Passningen vid ytan mellan de två kristallina materialen, galliumnitrid och kiselkarbid, är, dock, fattig. Atomerna stämmer inte överens med varandra, vilket leder till fel på transistorn. Detta har åtgärdats av forskning, vilket sedan ledde till en kommersiell lösning, i vilket ett ännu tunnare lager av aluminiumnitrid placerades mellan de två skikten.

Ingenjörerna på SweGaN märkte av en slump att deras transistorer kunde klara avsevärt högre fältstyrkor än de hade förväntat sig, och de kunde inte först förstå varför. Svaret finns på atomnivå - i ett par kritiska mellanytor inuti komponenterna.

Transmorf epitaxial tillväxt

Forskare vid LiU och SweGaN, ledd av LiU:s Lars Hultman och Jun Lu, närvarande i Tillämpad fysikbokstäver en förklaring av fenomenet, och beskriv en metod för att tillverka transistorer med en ännu större förmåga att motstå höga spänningar.

Forskarna har upptäckt en tidigare okänd epitaxiell tillväxtmekanism som de har kallat "transmorf epitaxial tillväxt." Det gör att töjningen mellan de olika skikten gradvis absorberas över ett par lager av atomer. Detta innebär att de kan växa de två lagren, galliumnitrid och aluminiumnitrid, på kiselkarbid på ett sätt för att på atomnivå kontrollera hur skikten är relaterade till varandra i materialet. I laboratoriet har de visat att materialet tål höga spänningar, upp till 1800 V. Om en sådan spänning placerades över en klassisk kiselbaserad komponent, gnistor skulle börja flyga och transistorn skulle förstöras.

"Vi gratulerar SweGaN när de börjar marknadsföra uppfinningen. Det visar effektivt samarbete och utnyttjande av forskningsresultat i samhället. På grund av den nära kontakten vi har med våra tidigare kollegor som nu arbetar för företaget, vår forskning påverkar snabbt även utanför den akademiska världen, säger Lars Hultman.