Разработан полупроводник лучше кремния

Ученые работают над поиском новых полупроводников с более совершенными свойствами, чем у кремния — в современной силовой электронике его возможностей уже недостаточно. Исследователи рассчитывают, что новые полупроводники помогут достичь больших рабочих значений токов, температур и напряжений, что важно для дальнейшего развития электроники.

Работа ведется над переходом к широкозонным полупроводникам, которые позволяют приложить к контактам устройства высокое напряжение и при этом избежать электрического пробоя, а также сократить потери мощности и сохранить работоспособность прибора при высокой температуре.

Совместная разработка российских специалистов из НИТУ «МИСиС», ФТИ им. А.Ф. Иоффе и из компании «Совершенные кристаллы» — новый материал с технологией выращивания, которая не требует серьезных финансовых вложений. Более того, в процессе выращивания свойствами этого материала можно управлять и подбирать характеристики под определенные задачи, чтобы он позволял работать при более высокой температуре, чем кремний, и минимизировать потери мощности. Материал планируется использовать как альтернативу кремнию в электронных устройствах, которые применяются для передачи и усиления мощных электрических сигналов.

В силовой электронике в последнее время происходил плавный переход от кремния к карбиду кремния и нитриду галлия. Размер запрещенной зоны у кремния составляет 1,2 эВ, электрическое поле пробоя — 0,3 МВ/см, тогда как новые полупроводники имеют запрещенную зону шириной 3,3 – 3,4 эВ и электрическое поле пробоя примерно 3 МВ/см. Чем шире запрещенная зона у материала, тем большее напряжение допускается направить к контактам устройства, избежав пробоя, тем меньше будет сопротивление и, как следствие, выше электрическая мощность.

Увы, значений, которые достигает ширина запрещенного поля уже в новых полупроводниках, тоже становится недостаточно. Ученые исследовали оксид галлия Ga2O3. Он существует в кристаллических формах — политипах, у одного из которых (β-Ga2O3) ширина запрещенной зоны составляет 4,8 эВ, а электрическое поле пробоя — 8 МВ/см. Это самый стабильный политип оксида галлия.

Но у менее стабильных модификаций, например, у α-Ga2O3, запрещенная зона шире, а благодаря симметричной структуре их можно выращивать на недорогих сапфировых подложках и создавать интересные для изучения и применения комбинации, которые не требуют больших затрат.

Российские специалисты в своем исследовании, опубликованном в APL Materials, изучали способы выращивания совершенных пленок α-Ga2O3 и подбирали легирующие примеси, с помощью которых проводимость политипов можно было менять для достижения нужных свойств.

Часть участников выращивала в лабораторных условиях методом галоидной эпитаксии совершенные пленки α-Ga2O3 и легировала их атомами олова. Еще одна группа исследователей изготовила из полученных пленок диодные структуры и изучила свойства и дефекты полученного материала.

Выяснилось, что все характеристики схожи со свойствами стабильного политипа β-Ga2O3 с широкой запрещенной зоной. Следовательно, такой полупроводник позволяет достичь больших мощностей и рабочих температур, что внушает оптимизм. Сейчас ученые планируют приступить к дополнительным исследованиям пленок α-Ga2O3, чтобы получить более высокую стабильность материала для использования в силовой электронике.