Новый полупроводник, разработанный американскими исследователями, может похвастаться самой широкой в мире запрещенной зоной, составляющей более семи электронвольт (эВ), и может привести к созданию более эффективных электромобилей (EV), электросетей и центров обработки данных.
Материал был создан инженерами из Корнеллского университета в Нью-Йорке. Он изготовлен из оксида алюминия и галлия, легированного кремнием, выращенного на сапфире. Кроме того, у него самая широкая запрещенная зона среди полупроводников, используемых в электронных устройствах.
Полупроводники играют ключевую роль в повседневной электронике, в том числе в ноутбуках, смартфонах и микроволновых печах. Они используются в схемах, диодах и транзисторах, которые обеспечивают эффективную работу этих устройств. Ширина запрещенной зоны определяет, сколько энергии требуется электронам для перемещения в материале.
Большая ширина запрещённой зоны позволяет материалам выдерживать более сильные электрические поля. Это делает их полезными для высоковольтных устройств, где энергоэффективность имеет решающее значение. Тем не менее увеличить ширину запрещённой зоны без потери проводимости оказалось непросто.
Чтобы решить эту задачу, команда разработала тонкие пленки из оксида алюминия и галлия с помощью метода, известного как субоксидная молекулярно-лучевая эпитаксия. Он позволяет создавать кристаллические материалы, наращивая их слой за слоем в тщательно контролируемых условиях.
Исследователи также внедрили в материал атомы кремния при достаточно низкой температуре, что позволило получить подвижные электроны, которые переносят электрический ток. В итоге они были поражены полученным результатом.
При комнатной температуре новый материал проводит электричество как минимум в 100 миллионов раз лучше, чем ранее известные материалы с шириной запрещённой зоны более шести эВ. Команда учёных доказала, что этот материал можно использовать в электронных устройствах.
Чтобы протестировать новый полупроводник, команда создала диод и полевой транзистор под названием AlphaFET с использованием этого материала. Они показали, что электропроводностью можно управлять как с помощью легирования кремния, так и с помощью приложенного электрического поля.
Устройство позволило добиться изменения электрического тока более чем на четыре порядка через металлический затвор. «Создание транзистора позволяет нам одновременно продемонстрировать важнейший элемент электронных систем, а также некоторые уникальные свойства полупроводника», — считают исследователи