Кремниевое легирование применили специалисты Корнеллского университета, чтобы улучшить проводимость материала. Утверждается, что созданный американскими учёными новый полупроводник обладает наиболее широкой на планете запрещённой зоной — она превышает 7 электронвольт (эВ). В перспективе это способно привести к появлению более эффективных электромобилей (EV), электросетей и дата-центров.
Ирина Медведева
Репрезентативное изображение роботизированной руки, работающей с полупроводниковым чипом. Источник: Getty Images
Материал разработан инженерами Корнеллского университета, расположенного в Нью-Йорке. Его основой послужил оксид алюминия и галлия, в который добавили кремний и который вырастили на сапфире. Помимо этого, среди полупроводников, применяемых в электронных приборах, у него зафиксирована самая широкая запрещённая зона.
По словам Даррелла Шлома — доктора философии, профессора материаловедения Корнеллского университета и старшего автора исследования, — данный результат превзошёл прежнее достижение, равнявшееся 6 электронвольтам. Получить запрещённую зону шире 7 электронвольт оказалось непростой задачей, ведь материалы с более широкой зоной, как правило, демонстрируют поведение, характерное скорее для изоляторов.
«Первой реакцией моих друзей-ученых было: „Это невозможно“, — сказал он. — Должен признать, что поначалу результат казался слишком хорошим, чтобы быть правдой».
Достижение Корнеллского университета важно не только само по себе, но и как пример того, насколько узким остаётся круг материалов, пригодных для силовой и высокочастотной электроники. Сегодня отрасль во многом опирается на карбид кремния и нитрид галлия, чья запрещённая зона составляет порядка 3,3 и 3,4 эВ соответственно.
Оба материала уже активно применяются в инверторах электромобилей, зарядных станциях и компактных блоках питания, однако их возможности не бесконечны. Дальнейшее повышение рабочих напряжений и частот требует полупроводников с более широкой зоной, и именно здесь новый материал с показателем свыше 7 эВ открывает отдельное направление.
Преодоление барьера
В повседневной электронике полупроводники выполняют одну из главных ролей — они задействованы в ноутбуках, смартфонах и микроволновых печах. Их применяют в схемах, диодах и транзисторах, благодаря которым эти устройства работают эффективно. От ширины запрещённой зоны зависит, какой объём энергии нужен электронам, чтобы перемещаться внутри материала.
Чем шире запрещённая зона, тем более сильные электрические поля способен выдерживать материал. Это делает его востребованным в высоковольтной технике, где решающее значение приобретает энергоэффективность. Однако добиться увеличения ширины запрещённой зоны без утраты проводимости оказалось не так-то просто.
Ключевая сложность состояла в том, чтобы совместить широкую запрещённую зону с реальной проводимостью. Как правило, чем шире зона, тем труднее ввести в материал подвижные носители заряда: легирующие атомы не отдают электроны, а проводимость остаётся ничтожной, и материал ведёт себя как изолятор.
Поэтому результат, при котором электропроводность при комнатной температуре оказалась как минимум в сто миллионов раз выше, чем у известных аналогов с зоной шире 6 эВ, имеет принципиальное значение. Он показывает, что барьер между «широкозонным полупроводником» и «практически пригодным электронным материалом» в определённых условиях можно преодолеть.
Для решения этой проблемы исследователи получили тонкие плёнки оксида алюминия и галлия, применив метод, который называют субоксидной молекулярно-лучевой эпитаксией. Благодаря ему кристаллические материалы формируются слой за слоем в строго контролируемых условиях.
Отдельного внимания заслуживает применённый метод роста. Субоксидная молекулярно-лучевая эпитаксия позволяет формировать кристаллические плёнки слой за слоем, а сравнительно низкая температура внедрения кремния помогает сохранить подвижные электроны, не разрушая структуру материала.
Использование сапфира в качестве подложки усиливает практическую ценность работы: этот материал доступен, освоен промышленностью и выпускается в больших объёмах, что снижает риски при масштабировании. Впрочем, учёные подчёркивают, что до коммерческого внедрения предстоит пройти длинный путь — от повышения качества плёнок и воспроизводимости характеристик до отработки технологии производства самих приборов.
Кроме того, атомы кремния были внедрены в материал при достаточно низкой температуре — так удалось обеспечить присутствие подвижных электронов, переносящих электрический ток. Полученный итог превзошёл ожидания исследователей.
При комнатной температуре электропроводность нового материала оказалась как минимум в 100 миллионов раз выше, чем у известных ранее материалов с запрещённой зоной шире 6 эВ. Команда подтвердила: этот материал пригоден для использования в работающих электронных приборах.
Успешное испытание
Для проверки нового полупроводника на его основе были изготовлены диод и полевой транзистор, получивший название AlphaFET. Тем самым удалось показать, что электропроводность регулируется как за счёт легирования кремнием, так и посредством приложенного электрического поля.
Созданные диод и полевой транзистор AlphaFET подтвердили, что новый полупроводник работает в реальных электронных компонентах, а не только в лабораторных измерениях. Управление током осуществлялось двумя способами — за счёт легирования кремнием и посредством приложенного электрического поля, причём изменение тока через металлический затвор превышало четыре порядка. Это означает, что материал пригоден для построения переключающих элементов, а значит, может стать основой для силовых схем, где от способности быстро и эффективно управлять большими напряжениями напрямую зависит КПД всей системы.
Как отметила Хуэйли Грейс Син — доктор философии, профессор материаловедения в том же университете, также участвовавшая в проекте, — через металлический затвор в устройстве удалось добиться изменения электрического тока более чем на 4 порядка. «Создание транзистора позволяет нам одновременно продемонстрировать важнейший элемент электронных систем, а также некоторые уникальные свойства полупроводника», — приводит её слова источник.
Поскольку материал выращивался на сапфире — подложке, которая широко доступна и уже выпускается в больших объёмах, — его изготовление может оказаться проще, чем производство иных материалов со сверхширокой запрещённой зоной. Дебдип Джена — доктор философии, профессор материаловедения Корнеллского университета — заявил, что для практического применения устройства нужны дополнительные исследования, однако охарактеризовал новый полупроводник как «платформу, которая изменит правила игры» в обозримом будущем.
По мнению Йены, данный полупроводник способен улучшить работу электромобилей, электросамолётов, а также дата-центров. Найти применение он может и в иных коммерческих и оборонных сферах. «Полупроводники с колоссальной шириной запрещенной зоны также позволят создать квантовые каскадные лазеры для телекоммуникаций и вакуумные ультрафиолетовые фотонные устройства, которые раньше были невозможны», — подытожил он в пресс-релизе. Результаты исследования увидели свет на страницах журнала Nature.
Потенциальные сферы применения выходят за пределы энергетики. Помимо электромобилей, авиации и дата-центров, где высокоэффективные преобразователи снижают потери и требования к охлаждению, новый материал рассматривается как база для квантовых каскадных лазеров в телекоммуникациях и вакуумных ультрафиолетовых фотонных устройств, которые ранее считались труднодостижимыми.
Профессор Дебдип Джена охарактеризовал разработку как «платформу, которая изменит правила игры», однако оговорился, что для практического применения нужны дополнительные исследования. Публикация в Nature фиксирует научный результат; насколько быстро он превратится в промышленную технологию, покажет время и последующие работы коллектива.
