Оксид галлия и широкодиапазонные полупроводники электроники

Оксид галлия и широкодиапазонные полупроводники электроники

Следующим поколением энергетически эффективной силовой электроники, высокочастотных систем связи и твердотельных реле освещения, обещают стать модули, основанные на материалах, известных как широкодиапазонные полупроводники. Схемы, базирующиеся на таких материалах, способны обеспечить высокую мощность при меньших потерях, чем схемы на основе кремния. Такой тип материалов в своё время (2014 год) привёл к революции в светодиодном освещении. Об этом свидетельствует Нобелевская премия по физике.

Издание «Applied Physics Letters» о новых кристаллах

Широкодиапазонный полупроводник, называемый оксидом галлия (Ga2O3), может быть спроектирован в нанометровые структуры, которые позволяют электронам двигаться намного быстрее внутри  кристаллической структуры.

При условиях, когда электроны движутся с увеличенной скоростью, оксид галлия (Ga2O3) следует рассматривать многообещающим компонентом для любой из двух областей:

  1. Высокочастотные системы связи.
  2. Энергоэффективная силовая электроника.

Исследователи считают, что оксид галлия обладает высоким потенциалом для обеспечения транзисторов, которые в будущем превзойдут текущие технологии.

Поскольку кристалл Ga2O3 обладает широким диапазоном полупроводника и выступает лучшей альтернативой кремнию, этот элемент видится перспективным для производства мощных высокочастотных устройств.

Оксид галлия уникален среди широкодиапазонных полупроводников ещё и потому, что допускает изготовление конечного продукта непосредственно из расплавленной формы.

Такая возможность позволяет организовать широкомасштабное производство высококачественных кристаллов.

Действие любого электронного устройства основано на движении электронов в структуре материала. Способность лёгкого перемещения под воздействием электрического поля называется высокой подвижностью электронов.

Это ключевой параметр для любого электронного устройства. Обычно чтобы заполнить полупроводник электронами, материал легируется другими элементами.

Но легирующие примеси также способны рассеивать электроны, ограничивая их подвижность внутри материала. Чтобы решить эту проблему, исследователи применили метод, известный как легирование модуляцией.

Подход легирования модуляцией впервые применили в 1979 году для создания транзистора с высокой электронной подвижностью на основе арсенида галлия.

Впоследствии (2017 год) авторы изобретения получили премию Киото. В настоящее время эта технология широко используется в производстве электроники мобильного типа.

Применение этой же технологии по отношению к оксиду галлия является технологически новым принципом.

Атомарно совершенный интерфейс

Разработчики создали так называемую полупроводниковую гетеро структуру — атомарно совершенный интерфейс между Ga2O3 и алюминием, получив оксид алюминия галлия.

Оба полупроводника имеют одинаковую кристаллическую структуру, но разную по энергетическому разрыву.

На расстоянии нескольких нанометров от интерфейса, встроенного внутри оксида галлия алюминия, находится лист донорских примесей, составляющих лишь несколько атомов. Дополнительные электроны переносятся в структуру Ga2O3, образуя двумерный электронный газ.

Поскольку электроны при таком процессе отделяются от легирующих примесей оксида алюминия галлия на несколько нанометров, рассеивающий эффект существенно снижается, а подвижность увеличивается.

Используя подобную методику, исследователям удалось достичь рекордной подвижности. Попутно пришлось наблюдать осцилляции Шубникова-де Гааза — квантовое явление, в котором увеличение силы внешнего магнитного поля вызывает колебание сопротивления материала.

Наличие подобных колебаний подтверждает образование двумерного электронного газа высокой подвижности, что делает возможными измерения критических свойств материала.


По материалам: AIP


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *