Opdagelse i galliumnitrid en vigtig faktor for energieffektiv elektronik

Galliumnitrid, en halvleder, der revolutionerede energieffektiv LED-belysning, kunne også transformere elektronik og trådløs kommunikation, takket være en opdagelse foretaget af forskere fra Cornell.

Deres papir, "En polariseringsinduceret 2-D-hulgas i udopede galliumnitridkvantebrønde, "blev udgivet 26. september i Videnskab .

Silicium har længe været kongen af ​​halvledere, men det har haft lidt hjælp. Det rene materiale forstærkes ofte, eller "dopet, "med urenheder som fosfor eller bor for at forbedre strømmen ved at tilvejebringe negative ladninger (elektroner) eller positive ladninger (" huller, "fravær af elektroner) efter behov.

I de seneste år, en nyere, en mere solid familie af laboratoriedyrkede sammensatte halvledermaterialer er opstået:gruppe III-nitrider. Galliumnitrid (GaN) og aluminiumnitrid (AlN) og deres legeringer har en bredere båndgap, giver dem mulighed for at modstå større spændinger og højere frekvenser for hurtigere, mere effektiv energioverførsel.

"Silicium er meget godt til at slukke og tænde og kontrollere elektrisk energistrøm, men når du tager det til høje spændinger, fungerer det ikke særlig godt, fordi silicium har en svag elektrisk styrke, der henviser til, at GaN kan opretholde meget højere elektriske felter, "sagde co-seniorforfatter Debdeep Jena, professor i el- og computerteknik og materialevidenskab og teknik "Hvis du laver meget store energiomdannelser, så er halvleder med bredbåndsmåling, såsom GaN og siliciumcarbid, løsningerne. "

I stedet for at bruge urenheder, Ph.d. studerende Reet Chaudhuri, papirets hovedforfatter, stablet et tyndt GaN -krystallag - kaldet en kvantebrønd - oven på en AlN -krystal, og forskellen i deres krystalstrukturer viste sig at generere en høj densitet af mobile huller. Sammenlignet med magnesium-doping, forskerne opdagede, at den resulterende 2-D hulgas gør GaN-strukturerne næsten 10 gange mere ledende.

Ved hjælp af den nye materialestruktur skabt af Chaudhuri, medforfatter og ph.d. studerende Samuel James Bader demonstrerede for nylig nogle af de mest effektive p-type GaN-transistorer i et samarbejdsprojekt med Intel. Nu hvor teamet har mulighed for at lave hulkanaltransistorer-som kaldes p-type-planlægger de at parre dem med n-type transistorer for at danne mere komplekse kredsløb, åbner nye muligheder for højeffektskift, 5G mobilteknologi og energieffektiv elektronik, inklusive telefon- og bærbare opladere.

"Det er meget vanskeligt samtidig at opnå n-type og p-type i en halvleder med en bred båndafstand. Lige nu, siliciumcarbid er den eneste anden, der har begge foruden GaN. Men de mobile elektroner i siliciumcarbid er mere træg end dem i GaN, "sagde med-seniorforfatter Huili Grace Xing, professor i el- og computerteknik og i materialevidenskab og teknik. "Ved hjælp af disse komplementære operationer aktiveret af både n-type og p-type enheder, meget mere energieffektiv arkitektur kan bygges. "

En anden fordel ved 2-D hulgassen er, at dens ledningsevne forbedres, når temperaturen sænkes, hvilket betyder, at forskere nu vil kunne studere grundlæggende GaN -egenskaber på måder, der ikke tidligere har været mulige. Lige så vigtigt er dens evne til at beholde energi, der ellers ville gå tabt i mindre effektive elsystemer.

Der er indgivet en patentansøgning via Center for Teknologilicens for opdagelsen.