Löytö energiatehokkaalle elektroniikalle

Ph.D. opiskelija Reet Chaudhuri tekee mittauksia kaksiulotteisien positiivisien varauksien kaasulle.

Galliumnitridi, puolijohde, joka mullisti energiatehokkaat LED-valaisimet, voisi myös muuttaa elektroniikkaa ja langatonta viestintää Cornellin yliopiston tutkijoiden havainnon ansiosta.

He ovat löytäneet galliumnitridissä nopeasti liikkuvat positiiviset varaukset, jotka voivat muuttaa elektroniikkaa ja langatonta viestintää.

Pii on pitkään ollut puolijohteiden kuningas, mutta se vaatii seostusta virran kulun parantamiseksi tuottamalla tarvittaessa negatiivisia varauksia eli elektroneina tai positiivisia varauksia eli aukkoja. Se ei kuitenkaan sovellu suurten jännitteiden ohjauksiin.

Viime vuosina on syntynyt uudempi, laboratoriossa kasvatettujen puolijohdemateriaalien ryhmä: ryhmä III-nitridit. Galliumnitridillä (GaN) ja alumiininitridillä (AlN) ja niiden seoksilla on laajempi kaistaero, mikä mahdollistaa suuremmat jännitteet ja korkeammat taajuudet.

Erityisesti GaN ja piikarbidi soveltuvat energiamuunnosten tarpeisiin mutta GaN:in seostus on hankala ja tehoton.

Seosteiden käytön sijasta tutkijat kasvattivat ohuen GaN-kidekerroksen, jota kutsutaan kvanttikaivoksi, AlN-kiteen päälle, ja ero niiden kiderakenteissa todettiin tuottavan suuren tiheyden liikkuvia aukkoja. Verrattuna magnesiumdopingiin tutkijat havaitsivat, että tuloksena saatu 2D-aukkokaasu tekee GaN-rakenteista lähes kymmenen kertaa johtavamman.

Hyödyntämällä uutta materiaalirakennetta opiskelija Samuel James Baderrecentcently esitteli erään tehokkaimmista p-tyypin GaN-transistoreista tähän liittyneessä yhteistyöprojektissa Intelin kanssa.

Nyt kun ryhmällä on kyky tehdä aukkokanavatransistoreita - joita kutsutaan p-tyyppisiksi -, he aikovat yhdistää ne n-tyyppisiin transistoreihin monimutkaisempien piirien muodostamiseksi. Sellaiset avaavat uusia mahdollisuuksia suurten tehojen kytkentöihin, 5G-solutekniikkaan ja esimerkiksi energiatehokkaampiin puhelinten ja kannettavien tietokoneiden latureihin.

Tutkijoiden mukaan on erittäin vaikeaa saada aikaan samanaikaisesti n-tyyppi ja p-tyyppi laajakaistaisella puolijohteella. Tällä hetkellä vain piikarbidilla ja GaN:llä nämä ovat saatavissa aikaan mutta piikarbidissa liikkuvat elektronit ovat hitaampia kuin GaN:ssä.

"Käyttämällä näitä täydentäviä toimintoja, jotka mahdollistavat sekä n- että p-tyyppiset rakenteet, voidaan tuottaa paljon energiatehokkaampaa arkkitehtuuria." Löydölle on jätetty patenttihakemus yliopiston teknologialisenssikeskuksen kautta.

Aiheesta aiemmin:

GaN-transistoreiden lähtöteho kolminkertaiseksi

Galliumnitridiä suuremmille jännitteille

Rakennelohkoja GaN tehokytkimille