Il silicio è stato a lungo il materiale di riferimento nel mondo della microelettronica e della tecnologia dei semiconduttori. Ma il silicio ha ancora dei limiti, in particolare con la scalabilità per le applicazioni di potenza. Spingere la tecnologia dei semiconduttori al suo pieno potenziale richiede progetti più piccoli con una densità di energia più elevata.

"Una delle più grandi carenze nel mondo della microelettronica è sempre un buon uso dell'energia:i progettisti cercano sempre di ridurre il consumo di energia in eccesso e la generazione di calore non necessaria, " ha detto Gregg Jessen, principale ingegnere elettronico presso l'Air Force Research Laboratory. "Generalmente, lo faresti ridimensionando i dispositivi. Ma le tecnologie in uso oggi sono già scalate vicino ai loro limiti per la tensione operativa desiderata in molte applicazioni. Sono limitati dalla loro intensità critica del campo elettrico."

Gli ossidi conduttivi trasparenti sono un materiale emergente chiave nella tecnologia dei semiconduttori, offrendo l'improbabile combinazione di conduttività e trasparenza sullo spettro visivo. Un ossido conduttivo in particolare ha proprietà uniche che gli consentono di funzionare bene nella commutazione di potenza:Ga2O3, o ossido di gallio, un materiale con una banda proibita incredibilmente ampia.

Nel loro articolo pubblicato questa settimana in Lettere di fisica applicata , gli autori Masataka Higashiwaki e Jessen delineano un caso per la produzione di microelettronica utilizzando l'ossido di gallio. Gli autori si concentrano sui transistor ad effetto di campo (FET), dispositivi che potrebbero trarre grandi vantaggi dall'elevata intensità del campo elettrico critico dell'ossido di gallio. una qualità che secondo Jessen potrebbe consentire la progettazione di FET con geometrie più piccole e profili di drogaggio aggressivi che distruggerebbero qualsiasi altro materiale FET.

La flessibilità del materiale per varie applicazioni è dovuta alla sua vasta gamma di possibili conduttività, da altamente conduttiva a molto isolante, e capacità di alta tensione di rottura grazie alla sua intensità di campo elettrico. Di conseguenza, l'ossido di gallio può essere ridimensionato in misura estrema. Anche wafer di ossido di gallio di grandi dimensioni possono essere coltivati ​​​​dal fuso, abbassando i costi di produzione.

"La prossima applicazione per l'ossido di gallio saranno i FET unipolari per gli alimentatori, " ha detto Jessen. "L'intensità del campo critico è la metrica chiave qui, e si traduce in capacità di densità di energia superiori. L'intensità di campo critica dell'ossido di gallio è più di 20 volte quella del silicio e più del doppio di quella del carburo di silicio e del nitruro di gallio".

Gli autori discutono i metodi di produzione per i wafer di Ga2O3, la capacità di controllare la densità elettronica, e le sfide con il trasporto di buche. La loro ricerca suggerisce che i dispositivi Ga2O3 unipolari domineranno. Il loro documento descrive anche le applicazioni di Ga2O3 in diversi tipi di FET e come il materiale può essere utile in alta tensione, applicazioni ad alta potenza e a commutazione di potenza.

"Dal punto di vista della ricerca, l'ossido di gallio è davvero eccitante, " ha detto Jessen. "Stiamo appena iniziando a capire il pieno potenziale di questi dispositivi per diverse applicazioni, ed è un grande momento per essere coinvolti nel campo".