EnglishCornell bouwt eerste werkende transistor uit halfgeleider met recordbandafstand
Onderzoekers van Cornell University maakten een halfgeleider met een bandafstand van meer dan 7 elektronvolt, de breedste ooit in een werkend onderdeel, en bouwden er een diode en transistor mee. Na verdere ontwikkeling kan dat zuiniger elektronica voor hoge spanningen opleveren.
Onderzoekers van Cornell University in de Verenigde Staten hebben een halfgeleider gemaakt met een bandafstand van meer dan 7 elektronvolt. Halfgeleiders zijn de materialen waar chips van worden gemaakt. Zo'n brede bandafstand is nooit eerder gehaald in een werkend elektronisch onderdeel, meldt de universiteit. Met het materiaal, aluminium-galliumoxide met een beetje silicium erin, bouwde het team een diode: een onderdeel dat stroom maar één kant op laat gaan. Ook bouwden ze een transistor, een elektronische schakelaar, die ze AlphaFET noemen. Het onderzoek verscheen op 7 oktober in het vakblad Nature; Cornell maakte het op 3 november bekend.
Waarom een brede bandafstand lastig is
In een halfgeleider moet een elektron eerst een energiedrempel over voordat het stroom kan geleiden. Die drempel heet de bandafstand, en elektronvolt is de maat ervoor. Ter vergelijking: silicium, het materiaal van gewone computerchips, zit op ongeveer 1,1 elektronvolt. Hoe hoger de drempel, hoe sterkere elektrische velden het materiaal aankan voordat het kapotgaat. Elektronica van zo'n materiaal kan daardoor hogere spanningen aan en verspilt volgens Cornell minder energie. Dat is handig voor vermogenselektronica: de onderdelen die stroom omzetten en regelen, bijvoorbeeld in een elektrische auto, het stroomnet of de voeding van een datacenter.
Er zit wel een nadeel aan. Hoe hoger de drempel, hoe meer het materiaal op een isolator lijkt: er komen te weinig elektronen over de drempel en het geleidt nauwelijks nog. Daarom bleef het record voor een werkend onderdeel tot nu toe steken op ongeveer 6 elektronvolt.
Hoe het lukte
Promovendus Jacob Steele, uit de groep van materiaalwetenschapper Darrell Schlom, liet het materiaal laagje voor laagje groeien op een plaatje saffier. Daarbij voegde hij bij een lage temperatuur silicium toe. Dat silicium levert de extra elektronen die stroom kunnen dragen. Laagjes met een bandafstand boven de 6 elektronvolt geleidden bij kamertemperatuur meer dan 100 miljoen keer beter dan eerder gemeld voor zulke materialen, volgens het onderzoek.
Promovendus Debaditya Bhattacharya maakte er de diode en de transistor van, onder leiding van de hoogleraren Huili Grace Xing en Debdeep Jena. In de stand 'aan' liep er door de transistor meer dan 10.000 keer zoveel stroom als in de stand 'uit'. Volgens Xing gaat het om eerste, voorlopige transistors. Schlom zegt dat collega's het resultaat eerst onmogelijk noemden.
De volgende stappen
Met een elektronenmicroscoop zagen onderzoekers veel kleine fouten in de laagjes. Volgens Schlom hadden andere halfgeleiders zulke fouten ook in hun beginfase. Als ze verdwijnen, kunnen de onderdelen nog flink beter worden. Jena zegt dat er meer werk nodig is om de onderdelen geschikt te maken voor de praktijk, en noemt het materiaal een veelbelovend platform.
Een voordeel is het saffier. Dat is goedkoop en wordt al op grote schaal gemaakt, anders dan sommige andere materialen met een brede bandafstand, die moeilijk en duur te maken zijn in bruikbare maten. Jena noemt als toepassingen onder meer elektrische aandrijving van voertuigen en vliegtuigen, vermogenselektronica voor datacenters en lasers voor telecom.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Vermogenselektronica zit overal waar stroom wordt omgezet, ook in de datacenters waar AI-modellen draaien. Naarmate AI groeit, gebruiken die datacenters meer stroom, dus elk beetje energie dat bij het omzetten minder verloren gaat, telt mee. Dit is een eerste stap: een materiaal dat zich bijna als een isolator gedraagt, werkt nu in een transistor. Lukt het de fouten in de laagjes weg te werken, dan komt zuiniger elektronica voor het stroomnet, elektrisch vervoer en rekenkracht een stuk dichterbij.
