Sapphire-grown semiconductor film sets bandgap record

Daha geniş bant boşluqları olan yarımkeçiricilər daha yüksək gərginlikləri idarə edə bilən daha kiçik, daha səmərəli elektronikaya yol aça bilər, lakin bu boşluq nə qədər geniş olarsa, materialın elektrik cərəyanını nə qədər yaxşı keçirməsinə nəzarət etmək bir o qədər çətindir. İndi, Cornell Universitetində Darrell Schlomun rəhbərlik etdiyi bir komanda göstərdi ki, alüminium qallium oksidinin nazik təbəqələrinə silikon əlavə etmək, bu nəzarəti özündən əvvəlki hər hansı yarımkeçiricidən daha geniş bant aralığında qoruya bilər. Onların araşdırmaları Nature jurnalında dərc olunub.

In a semiconductor, electrons occupy two distinct ranges of energy. In the lower "valence band," they are bound tightly to their atoms and can't carry a current. If they gain enough energy, however, they can jump into the higher "conduction band," where they move freely.

Yarımkeçiricinin bant boşluğu elektronun bu sıçrayışı etmək üçün tələb olunan enerjini təsvir edir və yarımkeçiricilərin izolyasiya və keçirici vəziyyətlər arasında keçidinə imkan verir. Daha geniş bant boşluqları materialların daha güclü elektrik sahələrinə tab gətirməsinə imkan verdiyindən, qallium nitridi və silisium karbid kimi geniş diapazonlu yarımkeçiricilər artıq sürətli telefon şarj cihazlarından tutmuş elektrik nəqliyyat vasitələrinə qədər hər şeydə istifadə olunur.

Aluminum gallium oxide is an especially promising material. Alüminiumun qalliuma nisbətini tənzimləməklə, onun bant aralığını 5,4 ilə 8,6 elektronvolt (eV) arasında hər hansı bir məlum yarımkeçiricinin ən geniş diapazonuna uyğunlaşdırmaq olar. But as the aluminum content rises, it becomes far harder to supply the material with free electrons. İndiyə qədər alüminiumla zəngin filmlər elektrik enerjisini qalliumla zəngin olanlara nisbətən bir neçə dəfə daha pis keçirdi, bu da onları elektronika üçün qeyri-mümkün etdi.

Schlom's team tackled this challenge through a careful fabrication approach involving a sapphire substrate. To grow the oxide films, they applied a technique called molecular-beam epitaxy, which builds up a material one atomic layer at a time.

As each film grew on top of the sapphire, they added small amounts of silicon, whose atoms donate spare electrons to the material. Nəhayət, onlar filmlərin bant boşluqlarını və elektrik xassələrini ölçdülər və filmlərin iki əsas elektron komponent: diod və tranzistor daxilində necə davrandığını yoxladılar.

The silicon-doped films conducted electricity at bandgaps of more than 7 eV, beating the previous record held by cubic boron nitride. 6 eV-dən yuxarı, komandanın "böyük bant boşluğu" adlandırdığı diapazonda, filmlər otaq temperaturunda elektrik cərəyanını əvvəlki hesabatlardan 100 milyon dəfə yaxşı keçirdi. Both the diode and the transistor worked successfully with these colossal-bandgap materials.

The approach could also make next-generation semiconductors far more practical to produce. Almaz və kub bor nitridi kimi digər ultra geniş diapazonlu materiallarla müqayisədə sapfir boldur, ucuzdur və artıq böyük miqyasda yüksək keyfiyyətlə istehsal edilmişdir.

Uğurlarına əsaslanaraq, Schlom komandası indi ümid edir ki, onların filmləri elektrik enerjisini çevirərkən və idarə edərkən istilik kimi daha az enerji sərf edən yeni nəsil elektrik elektronikasına yol aça bilər.

Sizin üçün müəllifimiz Sam Jarman tərəfindən yazılmış, Gaby Clark tərəfindən redaktə edilmiş və Robert Eqan tərəfindən yoxlanılmış və nəzərdən keçirilmiş bu məqalə diqqətli insan əməyinin nəticəsidir. We rely on readers like you to keep independent science journalism alive. If this reporting matters to you, please consider a donation (especially monthly). Siz təşəkkür olaraq reklamsız hesab əldə edəcəksiniz.