Gli ingegneri elettrici dell'Università dell'Illinois hanno superato un altro ostacolo nella fabbricazione di semiconduttori ad alta potenza aggiungendo il materiale più caldo del campo, l'ossido di beta-gallio, al loro arsenale. L'ossido di beta-gallio è prontamente disponibile e promette di convertire l'energia in modo più rapido ed efficiente rispetto ai principali materiali semiconduttori odierni:nitruro di gallio e silicio, hanno detto i ricercatori.

I loro risultati sono pubblicati sulla rivista ACS Nano .

I transistor piatti sono diventati il ​​più piccolo possibile fisicamente, ma i ricercatori hanno affrontato questo problema andando in verticale. Con una tecnica chiamata incisione chimica assistita da metallo—o MacEtch—U. di I. gli ingegneri hanno utilizzato una soluzione chimica per incidere i semiconduttori nelle strutture delle alette 3D. Le alette aumentano la superficie su un chip, consentendo più transistor o corrente, e può quindi gestire più potenza mantenendo le stesse dimensioni dell'ingombro del chip.

Sviluppato presso l'U. of I., il metodo MacEtch è superiore alle tradizionali tecniche di incisione "a secco" perché è molto meno dannoso per le delicate superfici dei semiconduttori, come l'ossido di beta-gallio, ricercatori hanno detto.

"L'ossido di gallio ha un gap energetico più ampio in cui gli elettroni possono muoversi liberamente, " ha detto l'autore principale dello studio Xiuling Li, un professore di ingegneria elettrica e informatica. "Questo divario energetico deve essere ampio per l'elettronica con tensioni più elevate e anche quelle a bassa tensione con frequenze di commutazione veloci, quindi siamo molto interessati a questo tipo di materiale da utilizzare nei dispositivi moderni. Però, ha una struttura cristallina più complessa del silicio puro, rendendo difficile il controllo durante il processo di incisione."

L'applicazione di MacEtch ai cristalli di ossido di gallio potrebbe avvantaggiare l'industria dei semiconduttori, Li ha detto, ma il progresso non è senza ostacoli.

"Proprio adesso, il processo di incisione è molto lento, " ha detto. "A causa della lentezza e della complessa struttura cristallina del materiale, le pinne 3D prodotte non sono perfettamente verticali, e le alette verticali sono ideali per un uso efficiente della potenza."

Nel nuovo studio, il substrato di ossido di beta-gallio prodotto triangolare, alette trapezoidali e rastremate, a seconda dell'orientamento del layout del catalizzatore metallico rispetto ai cristalli. Sebbene queste forme non siano ideali, i ricercatori sono rimasti sorpresi nello scoprire che fanno ancora un lavoro migliore nel condurre la corrente rispetto all'appartamento, superfici di ossido di beta-gallio non incise.

"Non siamo sicuri del perché questo sia il caso, ma stiamo iniziando a ottenere alcuni indizi eseguendo caratterizzazioni a livello atomico del materiale, Li ha detto. "La linea di fondo è che abbiamo dimostrato che è possibile utilizzare il processo MacEtch per fabbricare ossido di beta-gallio, un'alternativa potenzialmente a basso costo al nitruro di gallio, con una buona qualità dell'interfaccia."

Li ha detto che saranno necessarie ulteriori ricerche per affrontare il tasso di incisione lento, consentire dispositivi ad ossido di beta-gallio ad alte prestazioni, e cercare di aggirare il problema della bassa conducibilità termica.

"L'aumento della velocità di incisione dovrebbe migliorare la capacità del processo di formare più alette verticali, " ha detto. "Questo perché il processo avverrà così rapidamente che non avrà il tempo di reagire a tutte le differenze nell'orientamento dei cristalli".

Il problema della bassa conducibilità termica è un problema più profondo, lei disse. "L'elettronica ad alta potenza produce molto calore, e i ricercatori di dispositivi sono attivamente alla ricerca di soluzioni di ingegneria termica. Anche se questo è un aspetto molto aperto nel campo dei semiconduttori in questo momento, Strutture 3D come quelle che abbiamo dimostrato potrebbero aiutare a guidare meglio il calore in alcuni tipi di dispositivi".