Xe điện
Galium nitride, GaN, là một chất bán dẫn được sử dụng cho các điốt phát sáng hiệu quả. Tuy nhiên, nó cũng có thể hữu ích trong các ứng dụng khác, chẳng hạn như bóng bán dẫn, vì nó có thể chịu được nhiệt độ và cường độ dòng điện cao hơn nhiều chất bán dẫn khác. Đây là những đặc tính quan trọng cho các linh kiện điện tử trong tương lai, đặc biệt là đối với những linh kiện được sử dụng trong xe điện.
Hơi gallium nitride được phép ngưng tụ trên một tấm silicon cacbua, tạo thành một lớp phủ mỏng. Phương pháp trong đó một vật liệu tinh thể được phát triển trên chất nền của vật liệu khác được gọi là "epitaxy". Phương pháp này thường được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn vì nó mang lại sự tự do lớn trong việc xác định cả cấu trúc tinh thể và thành phần hóa học của màng nanomet được hình thành.
Sự kết hợp của gallium nitride, GaN và silicon cacbua, SiC (cả hai đều có thể chịu được điện trường mạnh), đảm bảo rằng các mạch phù hợp với các ứng dụng cần công suất cao.
Tuy nhiên, sự phù hợp ở bề mặt giữa hai vật liệu tinh thể, gallium nitride và silicon cacbua, là kém. Các nguyên tử cuối cùng không khớp với nhau, dẫn đến hỏng bóng bán dẫn. Điều này đã được giải quyết bằng nghiên cứu, sau đó dẫn đến một giải pháp thương mại, trong đó một lớp nhôm nitride thậm chí còn mỏng hơn được đặt giữa hai lớp.
Các kỹ sư tại SweGaN tình cờ nhận thấy rằng bóng bán dẫn của họ có thể đối phó với cường độ trường cao hơn đáng kể so với họ mong đợi, và ban đầu họ không thể hiểu tại sao. Câu trả lời có thể được tìm thấy ở cấp độ nguyên tử - trong một vài bề mặt trung gian quan trọng bên trong các thành phần.
Tăng trưởng biểu mô biến hình
Các nhà nghiên cứu tại LiU và SweGaN, dẫn đầu bởi Lars Hultman và Jun Lu của LiU, đã trình bày trên Applied Physics Letters một lời giải thích về hiện tượng này và mô tả một phương pháp để sản xuất bóng bán dẫn với khả năng chịu được điện áp cao thậm chí còn lớn hơn.
Các nhà khoa học đã phát hiện ra một cơ chế tăng trưởng biểu mô chưa được biết đến trước đây mà họ đã đặt tên là "tăng trưởng biểu mô biến hình". Nó làm cho biến dạng giữa các lớp khác nhau được hấp thụ dần dần qua một vài lớp nguyên tử. Điều này có nghĩa là chúng có thể phát triển hai lớp, gali nitride và nhôm nitrua, trên cacbua silic theo cách để kiểm soát ở cấp độ nguyên tử các lớp có liên quan với nhau như thế nào trong vật liệu. Trong phòng thí nghiệm, họ đã chỉ ra rằng vật liệu chịu được điện áp cao, lên đến 1800 V. Nếu một điện áp như vậy được đặt trên một thành phần dựa trên silicon cổ điển, tia lửa sẽ bắt đầu bay và bóng bán dẫn sẽ bị phá hủy.
"Chúng tôi chúc mừng SweGaN khi họ bắt đầu tiếp thị phát minh này. Nó cho thấy sự hợp tác hiệu quả và sử dụng các kết quả nghiên cứu trong xã hội. Do chúng tôi có liên hệ chặt chẽ với các đồng nghiệp trước đây, những người hiện đang làm việc cho công ty, nghiên cứu của chúng tôi nhanh chóng có tác động bên ngoài thế giới học thuật", Lars Hultman nói.
Sự quan tâm rất lớn
Nghiên cứu đã được tài trợ bởi các khoản tài trợ nghiên cứu từ Quỹ Knut và Alice Wallenberg và từ chương trình CoolHEMT, một phần của EU Horizon 2020. Bài báo, được liên kết bên dưới, được lựa chọn đặc biệt bởi biên tập viên của Applied Physics Letters, và là một trong những bài báo được đọc nhiều nhất của tạp chí, với gần 1.000 lượt tải xuống một tuần sau khi xuất bản vào ngày 25 tháng 11 năm 2019. Nó cũng được giới thiệu trên trang bìa của tạp chí.
Tài liệu tham khảo: “Transmorphic epitaxial growth of AlN nucleation layers on SiC substrates for high-breakdown thin GaN transistors” by Jun Lu, Jr-Tai Chen, Martin Dahlqvist, Riad Kabouche, Farid Medjdoub, Johanna Rosen, Olof Kordina and Lars Hultman, 25 November 2019, Applied Physics Letters.