W rozwoju tej dziedziny, w pewnym momencie zaczynamy zbliżać się do granicy, za którą świetny materiał na półprzewodnik staje się niemal bezużytecznym izolatorem. Dlatego tym razem naukowcy zamiast szukać kolejnego sposobu na miniaturyzację tranzystorów, zajęli się materiałem, który teoretycznie może zaoferować znacznie więcej niż obecne półprzewodniki. Efekt? Przekroczenie bariery 7 elektronowoltów (eV) i stworzenie działających elementów elektronicznych z materiału, który dotychczas sprawiał ogromne problemy z przewodzeniem prądu.
Dlaczego przekroczenie bariery 7 eV jest tak ważne?
Przerwa energetyczna określa energię potrzebną elektronowi do przejścia w stan, w którym może swobodnie uczestniczyć w przewodzeniu prądu. Dla klasycznego krzemu wynosi około 1,12 eV, podczas gdy węglik krzemu (SiC) osiąga około 3,26 eV, a azotek galu (GaN) około 3,4 eV. Różnice mogą wydawać się niewielkie, ale w elektronice mocy mają ogromne znaczenie, ponieważ materiały o większej przerwie energetycznej mogą wytrzymywać silniejsze pola elektryczne bez przebicia. Dzięki temu inżynierowie mogą projektować elementy obsługujące wysokie napięcia, a jednocześnie potencjalnie ograniczać straty energii i zmniejszać rozmiary całych układów.
Czytaj też: Fizycy złamali jedną z podstawowych zasad. Dwa elektrony dokonały czegoś, co miało być niemożliwe
Właśnie dlatego SiC oraz GaN zdobywają popularność w samochodach elektrycznych, ładowarkach i przekształtnikach energetycznych. Ich znaczenie dobrze oddaje tzw. wskaźnik Baligi, który pozwala porównywać teoretyczny potencjał materiałów w określonych zastosowaniach energoelektronicznych. Jest on silnie zależny od przerwy energetycznej, choć o rzeczywistych parametrach urządzenia decydują również inne właściwości.
Naukowcy z Cornella stworzyli jednak coś znacznie bardziej interesującego, bo cienkie warstwy tlenku glinowo-galowego w fazie alfa i to domieszkowanego krzemem. Uzyskali tym sposobem przerwę energetyczną przekraczającą 7 eV, ustanawiając tym samym rekord dla półprzewodnika. Materiał wszedł tym samym w obszar właściwości, który dotychczas kojarzył się przede wszystkim z izolatorami.
Jak zmusić niemal izolator do przewodzenia prądu?
Badacze nie ograniczyli się do wykazania rekordowej wartości. Wykorzystali bowiem następnie technikę epitaksji z wiązek molekularnych, aby wyhodować cienkie warstwy materiału na szafirowym podłożu, a następnie zapewnić im odpowiednie właściwości elektryczne dzięki domieszkowaniu krzemem podczas wzrostu kryształu. Atomy domieszki umożliwiły uzyskanie przewodnictwa typu n, w którym za transport ładunku odpowiadają elektrony.
W rezultacie przewodność warstw o przerwie energetycznej przekraczającej 6 eV była w temperaturze pokojowej ponad 100 milionów razy wyższa niż we wcześniejszych badaniach materiałów z tego zakresu. Nie oznacza to jednak równie imponującego wzrostu sprawności gotowych urządzeń, a jedynie ogromny postęp w pokonaniu konkretnego ograniczenia materiałowego.
Czytaj też: Strzelili w diament materiałem rozpędzonym do prędkości ponad Mach 8. Nie uwierzysz, co się stało
Badacze zbudowali też diodę Schottky’ego oraz tranzystor polowy AlphaFET. Ten drugi wykazał stosunek prądu w stanie włączenia i wyłączenia przekraczający 10000:1, co dowodzi możliwości sterowania przepływem ładunku. Warto jednak podkreślić pewien szczegół – chociaż rekordowy materiał przekroczył 7 eV, to jednocześnie kanał działającego tranzystora miał przerwę energetyczną około 6,7 eV. Nie mówimy więc jeszcze o tranzystorze z kanałem przekraczającym 7 eV.
Dla mnie najważniejsza jest jednak sama możliwość stworzenia działającego elementu. Podobną zależność opisywałem już przy problemach z kontaktami elektrycznymi w azotku galu, bo prawda jest taka, że nawet najlepszy półprzewodnik niewiele nam da, jeśli nie będziemy potrafili skutecznie doprowadzać do niego prądu i kontrolować jego przepływu.
Rekordowy półprzewodnik nie oznacza jeszcze rewolucji
Na korzyść nowego materiału przemawia wykorzystanie szafiru, który przemysł potrafi już produkować w dużych ilościach i wysokiej jakości. Jednak dostępność podłoża nie rozwiązuje wszystkich problemów. Precyzyjny wzrost warstw, kontrola defektów, rezystancja kontaktów elektrycznych i powtarzalność produkcji nadal wymagają dopracowania. Dochodzi do tego odprowadzanie ciepła, które w elektronice mocy potrafi przekreślić zalety nawet bardzo obiecującego półprzewodnika.
Nie wiemy więc jeszcze, czy nowy materiał rzeczywiście pozwoli zbudować tranzystory tańsze, wydajniejsze i trwalsze od obecnych rozwiązań SiC oraz GaN. Rekordowa przerwa energetyczna nie gwarantuje przecież niskich strat podczas przełączania ani odpowiednio małej rezystancji przewodzenia. Trudno też mówić o gotowości przemysłowej na podstawie laboratoryjnego demonstratora, ale podstawowe znaczenie tego odkrycia wykracza poza sam rekord 7 eV.
Naukowcy pokazali bowiem, że granica między półprzewodnikiem a izolatorem nie jest tak nieprzekraczalna, jak mogłoby się wydawać. Materiał, który wcześniej trudno było wykorzystać do przewodzenia prądu, stał się podstawą działającego tranzystora. Teraz pozostaje znacznie trudniejsze pytanie – czy da się z niego stworzyć element, który będzie nie tylko działał, ale też zaoferuje coś, czego współczesna elektronika rzeczywiście potrzebuje?
Źródła: Nature, Uniwersytet Cornella
