Nyupptäckt metod ger supertåliga transistorer

En ny metod att få nanotunna lager av halvledare att passa ihop har resulterat i såväl en vetenskaplig upptäckt som i utveckling en ny typ av transistorer för kraftelektronik. Resultatet, som väckt stor uppmärksamhet, är publicerat i Applied Physics Letters.

Ångströmhuset och svepelektronmikroskopet ARWEN En viktig del av arbetet har utförts i ett av världens skarpaste elektronmikroskop Arwen, vid Linköpings universitet.  Magnus Johansson

Bedriften är ett resultat av ett nära samarbete mellan forskare vid Linköpings universitet och företaget SweGaN, som är en avknoppning från forskningen inom materialfysik vid LiU. Företaget tillverkar skräddarsydda elektronikkomponenter i galliumnitrid.

Klarar höga effekter i elfordon

Galliumnitrid, GaN, är ett halvledarmaterial som används för effektsnåla lysdioder, men som även kan få stor betydelse i andra tillämpningar, som transistorer, eftersom materialet klarar högre temperaturer och strömstyrkor än många andra halvledarmaterial. Detta är viktiga egenskaper för utveckling av framtidens elektronik, inte minst för elektriska fordon.

En ånga av galliumnitrid får kondensera på en wafer av kiselkarbid och bildar då en tunn beläggning. Metoden där ett kristallint material odlas på ett annat kallas epitaxi. Metoden används ofta i halvledarindustrin eftersom den ger stora möjligheter att kontrollera både kristrallstrukturen och den kemiska sammansättningen i den nanometertjocka filmen. Kombinationen av galliumnitrid, GaN, och kiselkarbid, SiC, som båda klarar höga elektriska fält, gör kretsarna lämpliga för applikationer där det behövs höga effekter.

Dock är det dålig matchning i ytorna mellan de båda kristallina materialen, galliumnitrid och kiselkarbid. Atomerna hamnar snett mot varandra och förstör transistorn. Detta har forskningen och sedan också industrin löst genom att lägga ett ännu tunnare lager av aluminiumnitrid mellan de båda andra lagren.

Av en slump upptäckte utvecklarna på Swegan att deras transistorer klarade betydligt högre fältstyrkor än de hade förväntat sig, men förstod först inte varför. Svaret fanns att finna på atomnivå och i ett par kritiska mellanytor inne i komponenterna.

Transmorfisk epitaxi

I en artikel i Applied Physics Letters presenterar nu forskare vid LiU och Swegan, med LiU-forskarna Lars Hultman och Jun Lu i spetsen, en förklaring till fenomenet samt en metod som ger transistorer med än högre förmåga att klara höga spänningar.
Forskarna har hittat en ny epitaxiell tillväxtmekanism som de kallar transmorfisk epitaxi - det vill säga att töjningen mellan de olika lagren tas upp gradvis över ett par atomlager. Det betyder att de kan växa de olika lagren, galliumnitrid och aluminiumnitrid på kiselkarbid, på ett sådant vis att de på atomnivå kan styra hur de olika lagren hamnar i förhållande till varandra i materialet. De har också i laboratoriet visat att materialet klarar höga spänningar, upp till 1800V. Skulle man lägga en sådan spänning över en klassisk komponent gjord i kisel skulle det slå gnistor och förstöra transistorn.

Lars HultmanLars Hultman– Att SweGaN redan kan marknadsföra uppfinningen är det bara att gratulera till, det visar också på god samverkan och tekniköverföring mellan forskning och samhälle. Tack vare den nära kontakt vi har med de tidigare kollegor som numera är verksamma på företaget, får våra forskningsresultat snabbt genomslag även utanför akademin, säger Lars Hultman.

Mest lästa artikeln

Forskningen har finansierats via såväl forskningsanslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse som via EU:s horisont 2020-program CoolHEMT. Artikeln, med länk nedan, blev speciellt utvald av redaktören för Applied Physics Letters och tillhör de mest lästa med nära tusen nedladdningar en vecka efter att den publicerades 25/11 2019.

Transmorphic Epitaxial Growth of AlN Nucleation Layers on SiC Substrates for High-Breakdown Thin GaN Transistors, Jun Lu, Jr-Tai Chen, Martin Dahlqvist, Riad Kabouche, Farid Medjdoub, Johanna Rosen, Olof Kordina, and Lars Hultman. Appl. Phys. Lett. 115, 221601 (2019). doi 10.1063/1.5123374
https://doi.org/10.1063/1.5123374

Vid LiU finns också ett kompetenscentrum, C3NiT, för forskning och utveckling av III nitrid-tekniker, finansierat av Vinnova och med ett antal stora och små företag engagerade.

Kontakt
Visa/dölj innehåll

Forskning
Visa/dölj innehåll

Senaste nytt från LiU
Visa/dölj innehåll