Amerikaanse onderzoekers bouwen halfgeleider met record-bandgap voor zuinigere chips

Een team van Cornell University in de Amerikaanse staat New York heeft een halfgeleider ontwikkeld die een technische grens doorbreekt die lang onhaalbaar werd geacht. Het materiaal, gemaakt van met silicium verrijkt aluminium-galliumoxide op een laagje saffier, heeft een zogeheten bandgap van meer dan zeven elektronvolt (eV). Dat is de breedste bandgap die ooit in een echt werkend elektronisch onderdeel is aangetoond, en ligt ruim boven het vorige record van zes eV. Het onderzoek is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.

Een bandgap bepaalt hoeveel energie elektronen nodig hebben om door een materiaal te bewegen. Hoe breder die kloof, hoe beter een materiaal bestand is tegen hoge spanningen zonder kapot te gaan. Dat is precies wat nodig is in apparaten die met veel stroom en spanning werken, zoals laders voor elektrische auto's, onderdelen in vliegtuigen en schakelingen in datacenters en energienetten. Het probleem is alleen dat materialen met een hele brede bandgap zich normaal gedragen als isolator: ze laten juist bijna geen stroom door. Hoofdonderzoeker Darrell Schlom, hoogleraar materiaalkunde aan Cornell, vertelt dat collega-wetenschappers hem eerst niet geloofden. "De eerste reactie van mijn wetenschappelijke vrienden was: dat is onmogelijk," zegt hij. "Ik moet toegeven dat het resultaat zelf mij ook te mooi leek om waar te zijn."

Honderd miljoen keer beter geleidend

Om het materiaal te maken, gebruikte het team een techniek genaamd suboxide molecular-beam epitaxy. Daarmee bouwen onderzoekers een kristal laagje voor laagje op, onder strikt gecontroleerde omstandigheden. Door tijdens dit proces siliciumatomen toe te voegen bij een zorgvuldig gekozen lage temperatuur, ontstonden er voldoende vrij bewegende elektronen om stroom te geleiden, zonder dat de brede bandgap verloren ging. Het resultaat overtrof de verwachtingen: bij kamertemperatuur geleidde het nieuwe materiaal minstens honderd miljoen keer beter dan eerder gerapporteerde materialen met een bandgap boven zes eV.

Van laboratoriumproef naar praktijktest

Om te bewijzen dat het materiaal ook echt werkt in elektronica, bouwde het team er een diode en een transistor mee, de zogeheten AlphaFET. Materiaalkundige Huili Grace Xing, mede-auteur van de studie, legt uit dat de transistor liet zien hoe de stroom in het materiaal te regelen is: zowel via de siliciumtoevoeging als via een elektrisch veld dat op het apparaat wordt gezet. Volgens Xing veranderde de stroomsterkte door het zogeheten metalen gate-contact met een factor van meer dan tienduizend. Een belangrijk voordeel is dat het materiaal is gegroeid op saffier, een drager die al op grote schaal en relatief goedkoop wordt geproduceerd voor andere toepassingen. Dat maakt opschalen naar massaproductie eenvoudiger dan bij vergelijkbare ultrabrede halfgeleiders. Collega-onderzoeker Debdeep Jena noemt het een "spelbepalend platform" voor de nabije toekomst, met mogelijke toepassingen in elektrische auto's, vliegtuigen, datacenters en zelfs defensietechnologie. Wel benadrukt hij dat er nog veel werk nodig is voordat het materiaal praktisch inzetbaar is.