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瑞典林雪平大学开发出用于大功率设备的新型晶体管
2020-01-13

[据物理学组织网站2020年1月7日报道]一种将厚度仅为几纳米的半导体层装配到一起的新方法不仅带来了一项新的科学发现,而且还发明了一种用于大功率电子设备的新型晶体管。这一结果被发表在《应用物理学快报》期刊上,并引起了研究人员们的极大兴趣。

林雪平大学(LiU)的科学家们与SweGaN公司(研究材料科学的Liu衍生企业)密切合作,共同取得了该项成果。该公司以氮化镓(GaN)为原料生产定制电子元件。

氮化镓是一种用于高效率发光二极管的半导体。然而,因为它可以承受比许多其他半导体更高的温度和电流强度,因此它也可用于其他应用,如晶体管。GaN所具有的特性对于未来电子元件来说至关重要,尤其是对于那些用于电动汽车中的元件而言。

GaN的蒸汽可以凝结在碳化硅晶圆上,形成一层薄薄的涂层。使一种晶体材料生长在另一种晶体的基底上的方法被称为“外延”。这种方法在半导体工业中经常使用,因为它在确定形成的纳米薄膜的晶体结构和化学成分方面都提供了极大的自由度。

将GaN和碳化硅(SiC)(二者都能承受强电场)组合,能够确保电路适用于需要高功率的应用。

但是,GaN和SiC这两种晶体材料在表面上的配合并不好。二者原子最终会相互不匹配,导致晶体管失效。针对这一问题,研究人员开展了研究,并且随后提出了一个商业解决方案,即在两种材料层之间放置一层更薄的氮化铝。

在一次实验中,SweGaN公司的工程师们偶然地发现,他们的晶体管能够承受比预期高得多的场强,然而他们一开始并不能理解其中的原因。实际上,这一答案可以在原子水平上找到——在元器件内部的几个关键的中间表面。

在LiU的Lars Hultman和Jun Lu的领导下,LiU和SweGaN的研究人员在《应用物理学快报》期刊上发表了对这一现象的解释,并描述了一种制造能够更耐高压的晶体管的方法。

科学家们发现了一种以前不为人知的外延生长机制,他们将其命名为“变形外延生长”。该机制使不同层之间的应变逐渐被几层原子吸收。这意味着它们可以在碳化硅上以某种方式生长氮化镓和氮化铝两层,从而在原子水平上控制这两层材料的相互关系。在实验室中,他们已经证明这种材料能承受高达1800伏的高压。如果在传统的硅基元件上施加如此高的电压,火花将会开始飞溅,并且晶体管将会被烧毁。

Lars Hultman说:“我们祝贺SweGaN开始将这一发明推向市场。它显示了我们有效的协作以及研究成果的快速商业转化。由于SweGaN公司的研究人员有一部分是我们的前同事,并且我们之间保持着密切的联系,因此,我们的研究成果能够很快在学术界之外产生影响。”(国家工业信息安全发展研究中心 刘彧宽)

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