Przez miliardy takich miejsc przepływa energia w ładowarkach, diodach LED, samochodach elektrycznych, serwerach i całej masie przemysłowej elektroniki. Niewielka strata pomnożona przez ogromną liczbę urządzeń przestaje być niewielka i dlatego właśnie najnowsze osiągnięcie zespołu z Nagoya University mi się podoba. Po prostu przez swoją pozorną prostotę.
Azotek galu ma problem w jednym z najbardziej podstawowych miejsc
Naukowcy kierowani przez Haitao Wanga i Jia Wanga opracowali nową metodę tworzenia kontaktów elektrycznych (styków) dla cienkich warstw p-GaN, czyli azotku galu typu p. Nie mówimy przy tym o jakimś egzotycznym materiale, który być może za dwadzieścia lat trafi do pierwszego prototypu. GaN już dziś znajdziemy w diodach LED, elektronice mocy czy kompaktowych ładowarkach. Pisałem już zresztą o tym materiale zarówno przy problemie defektów w strukturach GaN, jak i podczas testowania 140-watowej ładowarki wykorzystującej technologię GaN. W skrócie? Azotek galu jest jednym z materiałów, które pozwalają budować elektronikę pracującą przy wysokich napięciach i częstotliwościach przy mniejszych stratach niż w wielu klasycznych konstrukcjach krzemowych.
Czytaj też: Chiny rozwiązały największy problem elektrowni wiatrowych. Sęk w tym, że muszą latać
Problem w tym, że samo stworzenie świetnego półprzewodnika nie wystarczy. Trzeba jeszcze możliwie sprawnie wprowadzić do niego i wyprowadzić z niego prąd. W strukturach p-GaN jest to szczególnie problematyczne. Za transport ładunku odpowiadają tam tzw. dziury, czyli w uproszczeniu brakujące elektrony zachowujące się jak dodatnie nośniki ładunku. Do uzyskania p-GaN wykorzystuje się domieszkowanie magnezem, ale przy temperaturze pokojowej nie zapewnia ono wystarczająco dużej koncentracji ruchliwych dziur przy granicy metalu i półprzewodnika. Przez to powstaje szeroki obszar zubożony, który utrudnia przepływ prądu. Efekt? Większy opór kontaktu, wyższy spadek napięcia i część energii zamieniana bez potrzeby w ciepło.
Tutaj wchodzi rozwiązanie proponowane przez naukowców z Nagoyi.
Warstwa magnezu cieńsza niż 10 nanometrów i pięć minut grzania
Na powierzchnię p-GaN specjaliści nanieśli metaliczną warstwę magnezu o grubości około 8-9 nm, a następnie poddali ją pięciominutowemu wygrzewaniu w temperaturze 600°C. W czasie tego “miękkiego wygrzewania” magnez przenika w kilka nanometrów powierzchni GaN, tworząc ekstremalnie silnie domieszkowany obszar. Jego koncentracja przy powierzchni dochodziła do około 1 × 10²¹ cm⁻³. W rezultacie obszar zubożony staje się węższy, a dziury mogą znacznie łatwiej przedostawać się przez barierę dzięki tunelowaniu.
Badacze uzyskali w ten sposób rezystywność kontaktową na poziomie jednego z najniższych wyników raportowanych dla cienkiego p-GaN. Co równie ważne, po tym procesie cała powierzchnia pozostała gładka, a to właśnie tutaj wcześniejsze podejście tego samego zespołu miało problem. Grubsza warstwa magnezu i agresywniejsze wygrzewanie prowadziły bowiem do powstawania interesujących struktur krystalicznych, ale jednocześnie wyraźnie pogarszały powierzchnię. Z punktu widzenia produkcji delikatnych, cienkich urządzeń było to bardzo problematyczne, ale ten stan rzeczy poszedł do lamusa.
Najważniejsze jest to, czego nowa metoda nie popsuła
Wiem jednocześnie, że inżynieria półprzewodników jest pełna rozwiązań, które poprawiają jeden parametr kosztem trzech kolejnych. Tutaj jednak badacze pokazali przynajmniej na poziomie laboratoryjnym, że potrafią zmniejszyć rezystancję kontaktu bez zniszczenia cienkiej struktury. Proces tworzenia tego typu kontaktów został zastosowany do warstwy p-GaN o grubości zaledwie 50 nm i po wszystkim zachował wysoką ruchliwość dziur. Badacze sprawdzili zresztą diodę p-i-n, która po obróbce nadal wytrzymywała napięcie wsteczne przekraczające 800 V i zachowała niski prąd upływu. Metoda działała także na powierzchniach poddanych wcześniej obróbce plazmowej.
Czytaj też: Prawda wyszła na jaw po roku. To może być najdziwniejszy sposób na ogrzewanie
Do tego proces odbywa się od góry, już na powierzchni przygotowanego p-GaN. Nie wymaga więc hodowania od podstaw dodatkowej, bardzo silnie domieszkowanej warstwy kryształu. Jest tym samym krótszy, potencjalnie tańszy i łatwiejszy do wpasowania w istniejące etapy produkcji.
Koniec strat energii? Jeszcze zdecydowanie nie
Naukowcy nie stworzyli jednak w tym badaniu tranzystora bez strat i nie sprawili, że samochody elektryczne nagle zaczną zużywać zauważalnie mniej energii. Rezystancja kontaktu jest tylko jednym z wielu źródeł strat w rzeczywistym urządzeniu, bo znajduje się obok rezystancji kanału, przełączania, przewodów, sterowania czy samej konwersji energii. Właśnie dlatego patrzę na tę pracę bardziej jako na poprawienie jednej z fundamentalnych cegiełek niż gotową rewolucję. Podobny kierunek dążenia do tego zauważyłem już przy poszukiwaniu następców klasycznych półprzewodników mocy z wykorzystaniem tlenku galu.
Czytaj też: Jedna zmarszczka zmienia grafen w maleńką baterię
Pokazuje to, że lepsza przyszłość dla elektroniki nie musi powstać z jednego cudownego materiału. Bardziej prawdopodobne jest tysiąc małych ulepszeń, z których każde usuwa kolejne źródło strat. Najciekawsze jest to, że zespół Nagoya University pracuje już nad wykorzystaniem procesu w LED-ach oraz tranzystorach przeznaczonych m.in. do samochodów elektrycznych. Jeśli metoda okaże się powtarzalna, trwała i opłacalna również w masowej produkcji, to może trafić także do microLED-ów, tranzystorów p-GaN HEMT czy innych urządzeń.
Źródła: Nagoya University
