Американски учени съобщиха за създаването на нов полупроводник с най-широката забранена зона сред всички материали в действащите електронни устройства — над 7 електронволта (eV). В основата на разработката е алуминиево-галиев оксид, легиран със силиций и отгледан върху сапфирена подложка. Постижението отваря възможности за повишаване на ефективността в електромобилите, енергийните мрежи и центровете за данни.

Ширината на забранената зона определя колко енергия е необходима на електроните, за да се придвижват във вътрешността на материала. Материалите с по-широка забранена зона издържат на по-силни електрически полета, което ги прави подходящи за силовата електроника, където енергийната ефективност е от първостепенно значение. Увеличаването на ширината на тази зона, без да се влошава проводимостта, е основното предизвикателство в тази научна област.

Пробив над 6-електронволтовата бариера

Успехът на екипа от Корнелския университет надминава досегашния рекорд от 6 eV. Учените посочват, че увеличаването на забранената зона до и над 7 eV е било изключително трудно, тъй като материалите с подобни характеристики обикновено функционират като диелектрици (изолатори).

„Първата реакция на моите колеги беше: „Това не може да бъде.“ Трябва да призная, че отначало резултатът наистина изглеждаше прекалено хубав, за да бъде истина.“

разказва Даръл Шлом, водещ автор на проучването

Още по темата:
Пробив на китайски учени в производството на полупроводници

Молекулярно-лъчева епитаксия и електропроводимост

За решаването на този проблем изследователите са разработили тънки слоеве от алуминиево-галиев оксид чрез метод на молекулярно-лъчевата епитаксия на субоксиди. Технологията позволява отглеждането на монокристални материали слой по слой в строго контролирани условия. Чрез внедряване на силициеви атоми при ниска температура се осигурява появата на подвижни електрони, които пренасят електрическия ток.

Лабораторните тестове показват, че при стайна температура новият материал провежда електричество най-малко 100 милиона пъти по-добре от всички известни досега полупроводници с ширина на забранената зона над 6 eV.

Създаване на AlphaFET транзистор и практическо приложение

На базата на новия материал учените са изработили диод и полеви транзистор, наречен AlphaFET. Изпитванията потвърждават, че проводимостта на материала се управлява ефективно както чрез легиране, така и с помощта на външно електрическо поле. Транзисторът демонстрира промяна в силата на тока с повече от четири порядъка.

Тъй като полупроводникът е отгледан върху сапфирена подложка — широко разпространен материал в промишленото производство — той е по-лесен за масово изработване спрямо други алтернативи със свръхширока забранена зона. Новата разработка има пряко приложение в авиацията, автомобилостроенето и инфраструктурата на центровете за данни.

Разработването на полупроводници от ново поколение е ключова стъпка към намаляване на топлинните загуби и драстично повишаване на енергийната ефективност на съвременните технологии.