EnglishCornell bouwt eerste werkende transistor van halfgeleider met de breedste bandafstand ooit
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. Het is nog labwerk, maar het kan 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. Dat is de breedste ooit in een werkend elektronisch onderdeel, meldt de universiteit. Met het materiaal, aluminium-galliumoxide met een beetje silicium erin, bouwde het team een diode en een transistor, die ze AlphaFET noemen. Het onderzoek verscheen in 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. Hoe hoger de drempel, hoe sterkere elektrische velden het materiaal aankan. 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. Boven de 6 elektronvolt geleidden de laagjes 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. Met de stuurelektrode van de transistor kon het team de stroom meer dan 10.000 keer sterker of zwakker maken. Xing noemt het nog eerste, voorlopige transistors. Schlom zegt dat collega's het resultaat eerst onmogelijk noemden.
De volgende stappen
Met een elektronenmicroscoop zagen onderzoekers nog veel kleine fouten in de laagjes. Schlom vergelijkt dat met andere halfgeleiders in hun beginfase: als die fouten verdwijnen, is er veel ruimte voor verbetering. Jena zegt dat er nog 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. Onderdelen die met hogere spanningen overweg kunnen, kunnen die infrastructuur zuiniger maken. Dit is een eerste stap: een materiaal dat volgens de theorie te veel op een isolator leek, werkt nu in een transistor. Als de fouten in de laagjes verdwijnen, komt zuiniger elektronica voor het stroomnet, elektrisch vervoer en rekenkracht een stuk dichterbij.
