Søgning efter nye halvledere varmes op med galliumoxid

University of Illinois elektriske ingeniører har ryddet en anden hindring i højeffekt halvlederfabrikation ved at tilføje feltets hotteste materiale - beta-galliumoxid - til deres arsenal. Beta-galliumoxid er let tilgængeligt og lover at konvertere strøm hurtigere og mere effektivt end nutidens førende halvledermaterialer - galliumnitrid og silicium, sagde forskerne.

Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

Flade transistorer er blevet omtrent så små, som det er fysisk muligt, men forskere løste dette problem ved at gå lodret. Med en teknik kaldet metal-assisteret kemisk ætsning-eller MacEtch-U. af I. ingeniører brugte en kemisk løsning til at ætse halvledere ind i 3-D finnestrukturer. Finnerne øger overfladearealet på en chip, giver mulighed for flere transistorer eller strøm, og kan derfor håndtere mere kraft, samtidig med at chippens fodaftryk holdes i samme størrelse.

Udviklet ved U. of I., MacEtch-metoden er overlegen i forhold til traditionelle "tørre" ætsningsteknikker, fordi den er langt mindre skadelig for sarte halvlederoverflader, såsom beta-galliumoxid, sagde forskere.

"Galliumoxid har et større energigab, hvor elektroner kan bevæge sig frit, " sagde undersøgelsens hovedforfatter Xiuling Li, professor i elektro- og computerteknik. "Dette energigab skal være stort for elektronik med højere spændinger og endda lavspænding med hurtige koblingsfrekvenser, så vi er meget interesserede i denne type materiale til brug i moderne enheder. Imidlertid, det har en mere kompleks krystalstruktur end rent silicium, gør det svært at kontrollere under ætsningsprocessen."

Anvendelse af MacEtch på galliumoxidkrystaller kan gavne halvlederindustrien, Li sagde, men avancementet er ikke uden forhindringer.

"Lige nu, ætsningsprocessen er meget langsom, " sagde hun. "På grund af den langsomme hastighed og den komplekse krystalstruktur af materialet, de producerede 3-D finner er ikke perfekt lodrette, og lodrette finner er ideelle til effektiv brug af strøm."

I den nye undersøgelse, beta-galliumoxidsubstratet produceret trekantet, trapezformede og tilspidsede finner, afhængig af orienteringen af ​​metalkatalysatorlayout i forhold til krystallerne. Selvom disse former ikke er ideelle, forskerne var overraskede over at finde ud af, at de stadig gør et bedre stykke arbejde med at lede strøm end lejligheden, uætsede overflader af beta-galliumoxid.

"Vi er ikke sikre på, hvorfor det er tilfældet, men vi begynder at få nogle spor ved at udføre karakteriseringer af materialet på atomniveau, " sagde Li. "Bundlinjen er, at vi har vist, at det er muligt at bruge MacEtch-processen til at fremstille beta-galliumoxid, et potentielt billigt alternativ til galliumnitrid, med god grænsefladekvalitet."

Li sagde, at yderligere forskning bliver nødt til at adressere den langsomme ætsningshastighed, muliggør højtydende beta-galliumoxidenheder, og prøv at omgå problemet med lav varmeledningsevne.

"Forøgelse af ætsningshastigheden skulle forbedre processens evne til at danne flere lodrette finner, " sagde hun. "Dette er fordi processen vil ske så hurtigt, at den ikke vil have tid til at reagere på alle forskellene i krystalorienteringer."

Problemet med lav varmeledningsevne er et dybere problem, hun sagde. "Elektronik med høj effekt producerer meget varme, og enhedsforskere søger aktivt varmetekniske løsninger. Selvom dette er et vidt åbent aspekt i halvlederområdet lige nu, 3D-strukturer som det, vi har demonstreret, kunne hjælpe med at lede varmen bedre ud i nogle enhedstyper."