University of Illinois elektriska ingenjörer har röjt ytterligare ett hinder i högeffekts halvledartillverkning genom att lägga till fältets hetaste material - beta-galliumoxid - till deras arsenal. Beta-galliumoxid är lättillgänglig och lovar att omvandla ström snabbare och mer effektivt än dagens ledande halvledarmaterial – galliumnitrid och kisel, sa forskarna.

Deras resultat publiceras i tidskriften ACS Nano .

Platta transistorer har blivit ungefär så små som det är fysiskt möjligt, men forskare åtgärdade detta problem genom att gå vertikalt. Med en teknik som kallas metallassisterad kemisk etsning—eller MacEtch—U. av I. ingenjörer använde en kemisk lösning för att etsa halvledare i 3-D fenstrukturer. Fenorna ökar ytan på ett chip, tillåter fler transistorer eller ström, och kan därför hantera mer kraft samtidigt som chipets fotavtryck behålls i samma storlek.

Utvecklad vid U. of I., MacEtch-metoden är överlägsen traditionella "torra" etsningstekniker eftersom den är mycket mindre skadlig för ömtåliga halvledarytor, såsom beta-galliumoxid, sa forskare.

"Galliumoxid har ett större energigap där elektroner kan röra sig fritt, " sa studiens huvudförfattare Xiuling Li, professor i el- och datateknik. "Det här energigapet måste vara stort för elektronik med högre spänningar och till och med lågspännings sådana med snabba kopplingsfrekvenser, så vi är mycket intresserade av denna typ av material för användning i moderna enheter. Dock, den har en mer komplex kristallstruktur än rent kisel, vilket gör det svårt att kontrollera under etsningsprocessen."

Att applicera MacEtch på galliumoxidkristaller kan gynna halvledarindustrin, Li sa, men avancemanget är inte utan hinder.

"Just nu, etsningsprocessen är mycket långsam, " sa hon. "På grund av den långsamma hastigheten och den komplexa kristallstrukturen hos materialet, de producerade 3D-fenorna är inte perfekt vertikala, och vertikala fenor är idealiska för effektiv användning av kraft."

I den nya studien, beta-galliumoxidsubstratet produceras triangulärt, trapetsformade och avsmalnande fenor, beroende på orienteringen av metallkatalysatorlayouten i förhållande till kristallerna. Även om dessa former inte är idealiska, forskarna blev förvånade över att finna att de fortfarande gör ett bättre jobb med att leda ström än lägenheten, oetsade ytor av beta-galliumoxid.

"Vi är inte säkra på varför detta är fallet, men vi börjar få några ledtrådar genom att utföra karakteriseringar på atomnivå av materialet, "Sa Li. "Samlet är att vi har visat att det är möjligt att använda MacEtch-processen för att tillverka beta-galliumoxid, ett potentiellt lågkostnadsalternativ till galliumnitrid, med bra gränssnittskvalitet."

Li sa att ytterligare forskning kommer att behöva ta itu med den långsamma etsningshastigheten, möjliggör högpresterande beta-galliumoxidenheter, och försöka komma runt problemet med låg värmeledningsförmåga.

"En ökning av etsningshastigheten bör förbättra processens förmåga att bilda fler vertikala fenor, ", sa hon. "Detta beror på att processen kommer att ske så snabbt att den inte kommer att ha tid att reagera på alla skillnader i kristallorientering."

Problemet med låg värmeledningsförmåga är ett djupare problem, Hon sa. "Högeffektelektronik producerar mycket värme, och enhetsforskare söker aktivt värmetekniska lösningar. Även om detta är en vidöppen aspekt inom halvledarområdet just nu, 3D-strukturer som det vi har visat kan hjälpa till att leda ut värmen bättre i vissa enhetstyper."