Альтернатива кремнию: ученые преодолели препятствия в создании полупроводников на оксиде галлия

Японские исследователи из Нагойского университета решили технологические трудности с использованием оксида галлия (Ga₂O₃) в полупроводниках.

Оксид галлия — перспективный материал, способный сделать электронные устройства гораздо более энергоэффективными чем те, что работают на основе кремния. Для корректной работы электронных диодов необходимы 2 типа полупроводникового слоя — слои с отрицательной полярностью (n-типа) и слои с положительной полярностью (p-типа).

Ученым удалось создать надежные слои из оксида галлия (n-типа), однако создание слоев (p-типа) столкнулось с трудностями, поскольку кристаллическая структура оксида галлия естественным образом препятствует проникновению атомов, необходимых для образования этих слоев. Из-за этого полупроводники на основе оксида галлия имели низкие характеристики и были ненадежными.

Японские исследователи создали первые функциональные pn-диоды на основе оксида галлия. Их метод позволяет использовать оксид галлия для создания усовершенствованных полупроводников и энергоэффективных устройств. Кроме этого инновационные pn-диоды способны пропускать вдвое больше электрического тока, чем предыдущие диоды на основе Ga₂O₃.

Поверхности Ga₂O₃ с Ni, отожженные в плазме O₂O_3, а также чистые поверхности Ga₂O₃/Journal of Applied Physics

Pn-диоды изготавливаются путем соединения полупроводников p и n-типа. Это позволяет создать точку соединения, которая управляет электрическим током. Такие диоды способны выдерживать высокое напряжение и подходят для большинства электронных устройств. Однако существующие Pn-диоды тратят много энергии в виде тепла, особенно в энергоемких приложениях, в частности, электрокарах и источниках возобновляемой энергетики.

Pn-диоды на основе оксида галлия могут выдерживать вдвое большую генерацию электрического тока, чем предыдущие устройства на основе оксида галлия, и потребляют меньше энергии, чем кремниевые диоды. Это делает такие диоды идеальными для требовательных устройств и приложений и снижает требования к системам охлаждения, повышает энергоэффективность в мощных системах и сокращает эксплуатационные расходы.

Проблема заключалась в том, что кристаллическая структура оксида галлия легко принимала атомы, необходимые для создания n-слоев, и отторгала атомы, необходимые для создания p-слоев. Без совместной работы обоих типов оксид галлия оставался ограниченным в практическом применении.

Для решения этой проблемы японские исследователи ввели атомы никеля в слой оксида галлия путем инжекции. Они бомбардировали поверхность материала отдельными атомами с высокой скоростью. После этого материал дважды подвергался нагреву, сначала до температуры 300°C с активированными кислородными радикалами (атомами кислорода, которые получили дополнительную энергию с помощью запатентованной плазменной обработки), а затем — до температуры 950°C в среде кислорода. Это привело к превращению никеля в оксид никеля и его полной интеграции с кристаллической структурой оксида галлия.

«Поскольку этот метод использует стандартное промышленное оборудование и процессы, его можно масштабировать для массового производства. Это существенно повлияет на будущую энергоэффективность и стоимость, особенно в сфере электромобилей и возобновляемой энергетики», —подчеркнул профессор из Центра низкотемпературной плазмы при Нагойском университете Масару Хори.