09.06.2020
НИТУ «МИСиС»

Получен полупроводниковый материал с улучшенными характеристиками

4.9

Ученые НИТУ «МИСиС», ФТИ имени А. Ф. Иоффе и компании «Совершенные кристаллы» продемонстрировали возможность изготовления нового материала и эффективного управления его свойствами с помощью дешевой и экономичной технологии его выращивания. Материал является перспективной альтернативой кремнию в приборах силовой полупроводниковой электроники и позволяет работать с более высокими напряжениями, при более высоких температурах и с меньшими потерями мощности.

Получен полупроводниковый материал с улучшенными характеристиками / ©Пресс-служба НИТУ «МИСиС»

Статья о разработке опубликована в журнале APL Materials. В силовой полупроводниковой электронике, как и во многих других областях полупроводниковой электроники, возможности кремния, основного полупроводникового материала, оказались практически исчерпанными. Поэтому ученые ведут интенсивный поиск материалов с новыми свойствами, которые позволили бы обеспечить качественный рывок в достижимых величинах напряжений и токов и рабочих температурах при сохранении высокой эффективности работы.

Ключом здесь является переход к так называемым широкозонным материалам, в которых требуется сообщить электронам атомов очень большую энергию, чтобы они начали участвовать в переносе электрического тока. Чем больше ширина запрещенной зоны, тем более высокое напряжение можно приложить к контактам прибора, не вызывая электрического пробоя, и тем ближе можно расположить контакты, уменьшая сопротивление, а значит, электрические потери мощности, и тем при более высокой температуре устройство будет сохранять свою работоспособность.

Полупроводниковый материал на основе оксида галлия / ©Пресс-служба НИТУ «МИСиС»

Около двадцати последних лет прошли под знаком перехода в силовой электронике от кремния с шириной запрещенной зоны 1,2 эВ и электрическим полем пробоя 0,3 МВ/см к карбиду кремния SiC и нитриду галлия GaN c запрещенной зоной 3,3-3, 4 эВ и электрическим полем пробоя большим в десять раз, около 3 МВ/см. Но даже такое увеличение критического поля, вызывающего пробой, оказывается недостаточным для все возрастающих требований к силовым приборам в современном мире.

В настоящее время наибольшее внимание ученых привлекает оксид галлия, Ga2O3, существующий в нескольких кристаллических модификациях-политипах, среди которых важнейшим является стабильный политип бета-Ga2O3 с шириной запрещенной зоны 4,8 эВ и полем пробоя 8 МВ/см.

Сравнение характеристик различных полупроводников для силовой электроники / ©Пресс-служба НИТУ «МИСиС»

Однако и другие, менее стабильные политипы, в частности, альфа-Ga2O3, также заслуживают внимания и изучения, потому что их запрещенная зона еще больше (5,2 эВ для альфа-Ga2O3), кристаллическая структура более симметрична, такие пленки можно растить на очень дешевых и высокосовершенных подложках сапфира с той же кристаллической структурой, что и альфа-Ga2O3, а наличие большого количества родственных окислов металлов с той же структурой и интересными свойствами позволяет создавать разнообразные полезные комбинации.

К сожалению, выращивание совершенных пленок Ga2O3 и нахождение подходящих легирующих примесей, которые позволили бы управлять проводимостью пленок в широком диапазоне, представляет трудную задачу. Ее решению посвящено совместное исследование группы ученых в ФТИ имени А. Ф. Иоффе и компании «Совершенные кристаллы» в Санкт-Петербурге и группы в НИТУ «МИСиС» в Москве.

Петербургская часть коллектива, руководимая профессором Владимиром Николаевым, сумела вырастить толстые пленки Ga2O3 с достаточно высоким структурным совершенством и ввести в них примесные атомы олова, поставляющие электроны и изменяющие проводимость пленок в очень широких пределах.

Рост проводился с помощью метода галоидной эпитаксии, ранее широко использовавшегося в данной лаборатории для получения и легирования совершенных кристаллов и пленок нитрида галлия и твердых растворов на его основе. Такие структуры широко используются для создания мощных светодиодов и лазеров, полупроводниковых выпрямителей, мощных транзисторов на основе InGaAlN. Легирование пленок Ga2O3 оловом в процессе выращивания осуществлялось с использованием паров летучих солей олова.

В московской группе исследователей под руководством заведующего лабораторией широкозонных материалов и приборов, профессора Александра Полякова из приготовленных пленок были сделаны тестовые диодные структуры и подробно изучены электронные свойства материала, а также электронная структура имеющихся в нем примесей и дефектов.

Свойства оказались похожими на свойства, изученные ранее для стабильного политипа Ga2O3. Полученные результаты вселяют оптимизм касательно перспектив использования Ga2O3 в силовых приборах, хотя еще потребуется провести очень серьезные дополнительные исследования, чтобы повысить стабильность материала и улучшить его характеристики и их воспроизводимость.  

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» — российский технический университет; первый вуз в стране, получивший статус «Национального исследовательского технологического университета», лучший вуз России 2019 года по версии Forbes Россия. Сегодня в состав НИТУ «МИСиС» входят 9 институтов и 6 филиалов, 4 из которых работают в России и 2 за рубежом.
Вчера, 12:28
Ольга Иванова

Международная группа ученых пришла к выводу, что употребление жирных кислот, содержащихся в орехах, семенах, сое и растительном масле, снижает риск смерти от всех причин, в том числе от сердечно-сосудистых заболеваний.

Вчера, 20:11
Илья Ведмеденко

Компания General Dynamics Land Systems представила макет наземного робота TRX, который выступит носителем беспилотников-камикадзе. Помимо них, он получил квадрокоптер.

Позавчера, 15:57
Илья Ведмеденко

В Сеть выложили новые изображения мощнейшего в истории Китая авианосца, который находится на заключительной стадии строительства. Кроме того, художник детально изобразил авиагруппу, состоящую из перспективных истребителей пятого поколения.

13 октября
Мария Азарова

Анализ образцов крови, взятых у российских космонавтов до и после их полета на МКС, показал, что длительное пребывание в космосе может провоцировать повреждение мозга.

12 октября
Алиса Гаджиева

Две тысячи лет назад многие сооружения строили лучше, чем сегодня.

12 октября
Елена Синицкая

Управление древностей Израиля обнародовало итоги раскопок огромного винодельческого комплекса. На нем в византийское и раннеисламское время делали виноградное вино, которым снабжали многие страны Средиземноморья.

27 сентября
Мария Азарова

Новое исследование генетиков из Германии и Италии, похоже, помогло найти ответ на вопрос, который занимал ученых свыше двух тысяч лет: откуда взялись этруски?

22 сентября
Илья Ведмеденко

Видео демонстрирует концепцию, известную как Rapid Dragon. Крылатые ракеты сбросили из самолетов C-17 и EC-130: предполагается, что это позволит повысить ударную мощь США.

24 сентября
Василий Парфенов

Недавно основанный стартап Success Rockets объявил о первых полноценных летных испытаниях своей суборбитальной ракеты Nebo 25. Запуск пройдет в ноябре, его цель — установить новый национальный рекорд по высоте полета среди частных компаний.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: