Un nuovo metodo per unire strati di semiconduttori sottili come pochi nanometri ha portato non solo a una scoperta scientifica, ma anche a un nuovo tipo di transistor per dispositivi elettronici ad alta potenza. Il risultato, pubblicato in Lettere di fisica applicata , ha suscitato grande interesse.

Il risultato è il risultato di una stretta collaborazione tra scienziati della Linköping University e SweGaN, una società spin-off dalla ricerca scientifica dei materiali presso LiU. L'azienda produce componenti elettronici su misura in nitruro di gallio.

Veicoli elettrici

nitruro di gallio, GaN, è un semiconduttore utilizzato per efficienti diodi emettitori di luce. Esso può, però, essere utile anche in altre applicazioni, come i transistor, poiché può resistere a temperature e intensità di corrente più elevate rispetto a molti altri semiconduttori. Queste sono proprietà importanti per i futuri componenti elettronici, non da ultimo per quelli utilizzati nei veicoli elettrici.

Il vapore di nitruro di gallio viene lasciato condensare su un wafer di carburo di silicio, formando un sottile strato. Il metodo in cui un materiale cristallino viene coltivato su un substrato di un altro è noto come "epitassia". Il metodo è spesso utilizzato nell'industria dei semiconduttori poiché offre una grande libertà nella determinazione sia della struttura cristallina che della composizione chimica del film nanometrico formato.

La combinazione di nitruro di gallio, GaN, e carburo di silicio, SiC (entrambi in grado di resistere a forti campi elettrici), assicura che i circuiti siano idonei per applicazioni in cui sono necessarie potenze elevate.

L'adattamento in superficie tra i due materiali cristallini, nitruro di gallio e carburo di silicio, è, però, povero. Gli atomi finiscono per non corrispondere tra loro, che porta al guasto del transistor. Questo è stato affrontato dalla ricerca, che successivamente ha portato a una soluzione commerciale, in cui uno strato ancora più sottile di nitruro di alluminio è stato posto tra i due strati.

Gli ingegneri di SweGaN hanno notato per caso che i loro transistor potevano sopportare intensità di campo significativamente più elevate di quanto si aspettassero, e inizialmente non riuscivano a capire perché. La risposta può essere trovata a livello atomico, in un paio di superfici intermedie critiche all'interno dei componenti.

Crescita epitassiale transmorfica

Ricercatori presso LiU e SweGaN, guidato da Lars Hultman e Jun Lu di LiU, presente in Lettere di fisica applicata una spiegazione del fenomeno, e descrivere un metodo per fabbricare transistor con una capacità ancora maggiore di resistere a tensioni elevate.

Gli scienziati hanno scoperto un meccanismo di crescita epitassiale precedentemente sconosciuto che hanno chiamato "crescita epitassiale transmorfica". Fa sì che la tensione tra i diversi strati venga gradualmente assorbita attraverso un paio di strati di atomi. Ciò significa che possono far crescere i due strati, nitruro di gallio e nitruro di alluminio, sul carburo di silicio in modo tale da controllare a livello atomico come gli strati si relazionano tra loro nel materiale. In laboratorio hanno dimostrato che il materiale resiste ad alte tensioni, fino a 1800 V. Se tale tensione fosse posta su un classico componente a base di silicio, le scintille inizierebbero a volare e il transistor verrebbe distrutto.

"Ci congratuliamo con SweGaN quando iniziano a commercializzare l'invenzione. Mostra una collaborazione efficiente e l'utilizzo dei risultati della ricerca nella società. A causa dello stretto contatto che abbiamo con i nostri precedenti colleghi che ora lavorano per l'azienda, la nostra ricerca ha rapidamente un impatto anche al di fuori del mondo accademico, "dice Lars Hultman.