Galliumoxid har en fordel i forhold til silicium ved at producere billigere og mindre enheder

Silicium har længe været det foretrukne materiale i verden af ​​mikroelektronik og halvlederteknologi. Men silicium har stadig begrænsninger, især med skalerbarhed til strømapplikationer. At skubbe halvlederteknologi til sit fulde potentiale kræver mindre designs med højere energitæthed.

"En af de største mangler i mikroelektronikkens verden er altid god brug af strøm:Designere søger altid at reducere overskydende strømforbrug og unødvendig varmeproduktion, " sagde Gregg Jessen, ledende elektronikingeniør ved Air Force Research Laboratory. "Som regel, du ville gøre dette ved at skalere enhederne. Men de teknologier, der bruges i dag, er allerede skaleret tæt på deres grænser for den ønskede driftsspænding i mange applikationer. De er begrænset af deres kritiske elektriske feltstyrke."

Transparente ledende oxider er et nøglemateriale inden for halvlederteknologi, tilbyder den usandsynlige kombination af ledningsevne og gennemsigtighed over det visuelle spektrum. Især ét ledende oxid har unikke egenskaber, der gør det muligt at fungere godt i strømskifte:Ga2O3, eller galliumoxid, et materiale med et utroligt stort båndgab.

I deres artikel offentliggjort i denne uge i Anvendt fysik bogstaver , forfatterne Masataka Higashiwaki og Jessen skitserer et eksempel på at producere mikroelektronik ved hjælp af galliumoxid. Forfatterne fokuserer på felteffekttransistorer (FET'er), enheder, der kunne have stor gavn af galliumoxids store kritiske elektriske feltstyrke. en kvalitet, som Jessen sagde kunne muliggøre design af FET'er med mindre geometrier og aggressive dopingprofiler, der ville ødelægge ethvert andet FET-materiale.

Materialets fleksibilitet til forskellige anvendelser skyldes dets brede vifte af mulige ledningsevner - fra stærkt ledende til meget isolerende - og høje gennembrudsspændingsevner på grund af dets elektriske feltstyrke. Følgelig, galliumoxid kan skaleres i ekstrem grad. Galliumoxidvafler med stort område kan også dyrkes fra smelten, sænke produktionsomkostningerne.

"Den næste ansøgning om galliumoxid vil være unipolære FET'er til strømforsyninger, " sagde Jessen. "Kritisk feltstyrke er nøglemålingen her, og det resulterer i overlegne energitæthedsevner. Den kritiske feltstyrke for galliumoxid er mere end 20 gange den for silicium og mere end dobbelt så stor som for siliciumcarbid og galliumnitrid."

Forfatterne diskuterer fremstillingsmetoder for Ga2O3 wafere, evnen til at kontrollere elektrondensiteten, og udfordringerne med hultransport. Deres forskning tyder på, at unipolære Ga2O3-enheder vil dominere. Deres papir beskriver også Ga2O3-applikationer i forskellige typer FET'er, og hvordan materialet kan bruges i højspænding, højeffekt og strømskiftende applikationer.

"Fra et forskningsmæssigt perspektiv, galliumoxid er virkelig spændende, " sagde Jessen. "Vi er lige begyndt at forstå det fulde potentiale af disse enheder til flere applikationer, og det er et godt tidspunkt at være involveret i feltet."