AI & computing › Neuromorfe & fotonische chips
Nieuw materiaal verlegt grens van halfgeleiders voor zuinigere stroomelektronica
Wetenschappers hebben een nieuw materiaal gemaakt dat de breedste bandgap ooit heeft bij een bruikbare halfgeleider. Het materiaal is honderd miljoen keer beter geleidend dan vergelijkbare stoffen en is gemaakt op goedkoop, overal verkrijgbaar saffier. Dat maakt de weg vrij voor veel zuinigere stroomelektronica, van laders tot stroomnetten.
Onderzoekers hebben een nieuwe halfgeleider ontwikkeld die een natuurkundige grens doorbreekt die decennia overeind stond. Het materiaal, silicium-gedoteerd α-(AlxGa1-x)2O3, heeft een zogeheten bandgap van ruim 7 elektronvolt. Daarmee is het breder dan kubisch boornitride, tot nu toe de halfgeleider met de breedste bandgap die bekend was. Een bredere bandgap betekent dat een materiaal elektrische spanning beter kan weerstaan voordat het doorslaat, wat cruciaal is voor efficiëntere stroomelektronica.
Het probleem met zo'n brede bandgap is normaal gesproken dat het materiaal nauwelijks nog stroom kan geleiden: het gedraagt zich als een isolator in plaats van als een halfgeleider. Dat gold vroeger ook voor materialen als galliumnitride, siliciumcarbide en galliumoxide, tot wetenschappers manieren vonden om ze met kleine beetjes andere atomen te 'besmetten', een proces dat dotering heet. Door dat ook te doen bij dit nieuwe materiaal, met silicium als dopant, kregen de onderzoekers een geleidbaarheid die bij kamertemperatuur honderd miljoen keer hoger is dan alles wat eerder is gerapporteerd voor materialen met zo'n brede bandgap.
Waarom een bredere bandgap zo veel uitmaakt
In vermogenselektronica gaat het om schakelingen die grote stromen en spanningen moeten verwerken, bijvoorbeeld in laders, stroomnetten, elektrische auto's en datacenters. Hoe breder de bandgap van het gebruikte materiaal, hoe hoger het rendement en hoe compacter de elektronica kan worden. Volgens een bekende natuurkundige vuistregel, de Baliga-figuur, groeit die efficiëntiewinst zelfs sneller dan de bandgap zelf: een stijging van de bandgap levert een veel grotere verbetering in prestaties op. Dat is precies waarom de chip-industrie de afgelopen jaren steeds bredere bandgaps zocht, van gewoon silicium naar galliumnitride en siliciumcarbide, en nu naar dit nieuwe materiaal.
Gebouwd op goedkoop saffier
Om te bewijzen dat het materiaal ook echt werkt, bouwden de onderzoekers er twee testapparaten mee: een Schottky-diode en een transistor die ze de AlphaFET noemen. Beide werkten zoals verwacht, wat aantoont dat het materiaal niet alleen in theorie maar ook in de praktijk bruikbaar is. Opvallend is de manier waarop het is gemaakt: met een techniek die moleculaire-bundelepitaxie heet, laag voor laag opgebouwd op saffier. Saffier is een goedkoop en overvloedig beschikbaar kristal dat al op grote schaal industrieel wordt geproduceerd, onder meer voor horlogeglas en telefoonschermen.
Dat is een belangrijk verschil met concurrenten als diamant en kubisch boornitride, die weliswaar ook een brede bandgap hebben maar extreem duur en moeilijk in grote, zuivere kristallen te maken zijn. Omdat dit nieuwe materiaal op bestaand, betaalbaar saffier kan worden gegroeid, verwachten de onderzoekers dat het makkelijker praktisch toepasbaar wordt dan eerdere kandidaten voor extreem brede bandgaps.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Een halfgeleider met zo'n extreem brede bandgap kan de basis worden voor veel zuinigere stroomelektronica, met minder energieverlies bij het schakelen van hoge spanningen. Dat is relevant voor elektrische auto's, snelladers, stroomnetten en datacenters, die allemaal baat hebben bij compactere en efficiëntere vermogenselektronica. Omdat het materiaal op goedkoop saffier kan worden gemaakt, ligt praktische opschaling dichterbij dan bij duurdere alternatieven zoals diamant.
- Halfgeleider
- Een materiaal dat stroom beter geleidt dan een isolator, maar minder goed dan een metaal, en waarvan de geleiding gericht kan worden aangepast. De basis van elke computerchip.
- Bandgap (bandkloof)
- De energiedrempel die elektronen moeten overwinnen om door een materiaal te kunnen stromen. Een bredere bandgap betekent dat een materiaal hogere spanningen kan weerstaan voordat het doorslaat.
- Dotering
- Het bewust toevoegen van kleine hoeveelheden andere atomen aan een materiaal om zijn geleidbaarheid te veranderen. Zonder dotering blijven extreem breedbandige materialen vaak onbruikbare isolatoren.
- Moleculaire-bundelepitaxie
- Een groeitechniek waarbij een kristal atoomlaag voor atoomlaag wordt opgebouwd in een vacuümkamer, wat zeer zuivere materialen oplevert.
- Schottky-diode
- Een eenvoudig elektronisch onderdeel dat stroom maar in één richting doorlaat, vaak gebruikt om materialen op hun elektrische eigenschappen te testen.
- Veldeffecttransistor (FET)
- Een schakelend onderdeel dat met een stuurspanning de stroom door een halfgeleider aan- of uitzet. De AlphaFET uit dit onderzoek is een experimentele versie gemaakt van het nieuwe materiaal.
- Saffier
- Een hard, transparant kristal (aluminiumoxide) dat goedkoop en in grote hoeveelheden industrieel wordt geproduceerd, en hier dient als ondergrond om het nieuwe materiaal op te groeien.
- Kubisch boornitride
- Tot nu toe de halfgeleider met de breedste bekende bandgap, maar duur en moeilijk in grote kristallen te maken.
- Galliumoxide (Ga2O3)
- Een halfgeleider met een relatief brede bandgap die de afgelopen jaren al interessant werd voor vermogenselektronica, en waarvan het nieuwe materiaal een doorontwikkeling is.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
