Полупроводники с широкой запрещённой зоной - это материалы, которые могут выдерживать сильные электрические поля и переключаться между проводящим и изолирующим состояниями. Чем шире эта зона, тем более высокие напряжения способен выдержать прибор, но тем труднее управлять проводимостью. Исследователи из Корнеллского университета под руководством Даррелла Шлома нашли способ сохранить контроль над проводимостью при рекордно широкой запрещённой зоне, добавив кремний в тонкие плёнки оксида алюминия-галлия.

В полупроводнике электроны находятся в двух энергетических диапазонах: в нижней "валентной зоне" они связаны с атомами и не могут переносить ток, а в верхней "зоне проводимости" движутся свободно. Ширина запрещённой зоны - это энергия, необходимая электрону для перехода из одной зоны в другую. Чем она больше, тем сильнее электрическое поле, которое выдерживает материал. Уже известные широкозонные полупроводники, такие как нитрид галлия и карбид кремния, применяются в быстрых зарядках для телефонов и в электромобилях.

Оксид алюминия-галлия перспективен тем, что его запрещённую зону можно плавно менять от 5,4 до 8,6 электронвольт (эВ) - это самый широкий диапазон среди известных полупроводников. Однако с ростом доли алюминия становится всё труднее снабжать материал свободными электронами. До сих пор плёнки с высоким содержанием алюминия проводили ток на несколько порядков хуже, чем плёнки с преобладанием галлия, что делало их непригодными для электроники.

Команда Шлома вырастила плёнки на сапфировой подложке методом молекулярно-лучевой эпитаксии - послойного наращивания материала с точностью до одного атомного слоя. В процессе роста в плёнки добавляли небольшие количества кремния, атомы которого отдают материалу лишние электроны. Затем учёные измерили ширину запрещённой зоны и электрические свойства плёнок, а также проверили их работу в двух ключевых компонентах - диоде и транзисторе.

Плёнки, легированные кремнием, проводили ток при ширине запрещённой зоны более 7 эВ, превзойдя предыдущий рекорд, принадлежавший кубическому нитриду бора. В диапазоне выше 6 эВ, который авторы называют "колоссальной запрещённой зоной", проводимость при комнатной температуре оказалась более чем в 100 миллионов раз выше, чем в любых ранее опубликованных отчётах. И диод, и транзистор успешно работали с этими материалами.

Подход может сделать производство полупроводников следующего поколения гораздо практичнее. По сравнению с другими материалами со сверхширокой запрещённой зоной, такими как алмаз и кубический нитрид бора, сапфир распространён, дёшев и уже выпускается в больших объёмах с высоким качеством. Команда Шлома надеется, что их плёнки откроют путь к новому поколению силовой электроники, которая будет тратить гораздо меньше энергии в виде тепла при преобразовании и управлении электричеством.

Источник: Phys.org