Uusi menetelmä kestäville GaN-transistoreille

Uusi menetelmä sovittaa puolijohdekerroksia muutamissa nanometreissä on johtanut paitsi tieteelliseen keksintöön myös uuteen tehotransistorien tyyppiin.

Saavutus on seurausta Linköpingin yliopiston tutkijoiden ja LiU:n materiaalitutkimuksen spin-off-yrityksen SweGaN:n tiiviistä yhteistyöstä. Yhtiö valmistaa räätälöityjä elektroniikkakomponentteja galliumnitridistä.

Galliuminitridiä (GaN) käytetään tehokkaisiin ledeihin mutta se voi olla hyödyllinen myös muissa sovelluksissa, joissa vaaditaan korkeampia lämpötiloja ja virtavahvuuksia.

Niitä tuotetaan galliumnitridihöyryn tiivistyessä piikarbidikiekkoon ohueksi pinnoitteeksi. Tällaista epitaksista menetelmää käytetään puolijohdeteollisuudessa, sillä se tarjoaa vapauden määrittää muodostuneen nanometrikalvon kiderakenne ja kemiallinen koostumus.

Galliumnitridin, GaN:n ja piikarbidin, SiC:n yhdistelmä (molemmat kestävät voimakkaita sähkökenttiä) varmistaa, että piirit soveltuvat tehopiireiksi.

Sovitus näiden kahden kiteisen materiaalin väliseen pintaan on kuitenkin heikko. Atomit päätyvät väärin toisiinsa nähden, mikä johtaa transistorin vioittumiseen. Tätä on korjattu siten, että näiden kahden kerroksen väliin asetetaan vielä ohuempi alumiininitridikerros.

LiU:n ja SweGaN:n tutkijat, Lars Hultmanin ja Jun Lu:n johdolla, esittävät tutkimuksessaan selityksen ilmiöstä ja kuvailevat menetelmää transistorien valmistamiseksi, joilla on vielä parempi kyky kestää suuria jännitteitä.

He ovat löytäneet aikaisemmin tuntemattoman epitaksisen kasvumekanismin, jonka he ovat nimenneet ”transmorfiseksi epitaksiaaliseksi kasvuksi”. Se saa aikaan eri kerrosten välisen rasituksen vähitellen absorboitumaan pariin atomikerrokseen. Tämä tarkoittaa, että ne voivat kasvattaa kaksi kerrosta, galliumnitridin ja alumiinitridin, piikarbidille tavalla, jossa atomitasolla voidaan hallita, kuinka kerrokset ovat suhteessa toisiinsa.

Laboratoriossa he ovat osoittaneet, että näin aikaansaatu materiaali kestää korkeita jännitteitä, jopa 1800 volttiin saakka.

Tutkijoiden mukaan nämä tulokset viittaavat siihen, että transmorfisesta epitaksiaalisesti kasvaneesta AlN-kerroksesta SiC:llä voi tulla seuraava paradigma GaN-elektroniikalle.

Tutkimus- ja innovaatiokeskus Imec on puolestaan esitellyt ensimmäiset toiminnalliset GaAs-pohjaiset heteroliitos bipolaaritransistorit (HBT) 300 mm piillä sekä CMOS-yhteensopivat GaN-perustuvat piirit 200 mm piikiekolla millimetriaaltojen sovelluksiin.

Heidän mukaan tulokset osoittavat sekä III-V-on-Si että GaN-on-Si mahdollisuudet CMOS-yhteensopivina tekniikoina RF-etuosamoduulien valmistamiseksi 5G ja sen jälkeisiin sovelluksiin.

Aiheesta aiemmin:Löytö energiatehokkaalle elektroniikalle