Film semiconductor crescut pe safir stabilește recordul de bandgap
Cercetătorii au reușit să obțină un film semiconductor cu un bandgap mai larg decât orice alt material de acest tip raportat până acum, menținând în același timp capacitatea de a controla conductivitatea electrică. Rezultatul, publicat în revista Nature, ar putea deschide calea pentru electronice mai mici și mai eficiente, capabile să suporte tensiuni mult mai mari.
Într-un semiconductor, electronii ocupă două intervale distincte de energie. În banda de valență inferioară, ei sunt legați strâns de atomi și nu pot transporta curent. Dacă primesc suficientă energie, pot trece în banda de conducție superioară, unde se mișcă liber. Bandgap-ul descrie energia necesară pentru această trecere și permite comutarea materialului între starea izolatoare și cea conductoare. Cu cât bandgap-ul este mai larg, cu atât materialul poate rezista la câmpuri electrice mai puternice, ceea ce explică utilizarea semiconductorilor cu bandgap larg precum nitrura de galiu și carbura de siliciu în încărcătoarele rapide pentru telefoane sau în vehiculele electrice.
Oxidul de aluminiu și galiu este un material deosebit de promițător, deoarece bandgap-ul său poate fi reglat prin modificarea raportului dintre aluminiu și galiu, acoperind intervalul de la 5,4 la 8,6 electronvolți (eV), cel mai larg domeniu cunoscut pentru un semiconductor. Problema apare odată cu creșterea conținutului de aluminiu: devine mult mai dificil să se furnizeze materialului electroni liberi, iar filmele bogate în aluminiu conduc electricitatea cu câteva ordine de mărime mai slab decât cele bogate în galiu, ceea ce le făcea nepractice pentru electronice.
Echipa condusă de Darrell Schlom de la Universitatea Cornell a abordat această provocare printr-o metodă atentă de fabricație care implică un substrat de safir. Pentru creșterea filmelor de oxid, cercetătorii au folosit epitaxia cu fascicul molecular, o tehnică ce construiește materialul strat cu strat, la nivel atomic. Pe măsură ce fiecare film creștea pe safir, au adăugat cantități mici de siliciu, ai cărui atomi cedează electroni suplimentari materialului. În final, au măsurat bandgap-urile și proprietățile electrice ale filmelor și au testat comportamentul acestora în două componente electronice cheie: o diodă și un tranzistor.
Filmele dopate cu siliciu au condus electricitatea la bandgap-uri de peste 7 eV, depășind recordul anterior deținut de nitrura de bor cubică. Peste 6 eV, interval pe care echipa îl numește „bandgap colosal”, filmele au condus electricitatea la temperatura camerei de peste 100 de milioane de ori mai bine decât orice raportare anterioară. Atât dioda, cât și tranzistorul au funcționat cu succes cu aceste materiale cu bandgap colosal.
Metoda ar putea face, de asemenea, mult mai practică producția semiconductorilor de generație următoare. Comparativ cu alte materiale cu bandgap ultra-larg, precum diamantul și nitrura de bor cubică, safirul este abundent, ieftin și deja fabricat la calitate ridicată la scară masivă. Pe baza succesului obținut, echipa lui Schlom speră că filmele lor ar putea deschide calea pentru o nouă generație de electronice de putere care risipesc mult mai puțină energie sub formă de căldură atunci când convertesc și controlează electricitatea.
