2019-09-27 05:51:01
氮化镓的发现是节能电子产品的关键推动力

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由于康奈尔大学研究人员的发现,氮化镓是一种半导体,彻底改变了节能LED照明,也可以改变电子和无线通信。

他们的论文“未掺杂的氮化镓量子阱中的极化诱导二维空穴气体”已于9月26日发表在《科学》杂志上。

长期以来,硅一直是半导体之王,但它却有所帮助。纯材料通常会添加或“掺杂”磷或硼等杂质,以根据需要提供负电荷(电子)或正电荷(“空穴”,不存在电子)来增强电流。

近年来,出现了一种新的,更坚固的实验室生长的化合物半导体材料系列:III族氮化物。氮化镓(GaN)和氮化铝(AlN)及其合金具有较宽的带隙,使它们能够承受更高的电压和更高的频率,从而实现更快,更有效的能量传输。

“硅非常擅长关断和控制电能流,但是当您将其置于高电压下时,由于硅的电强度较弱,而GaN却能承受更高的电场,因此它的运行效果并不理想。”电子和计算机工程以及材料科学与工程学教授Debdeep Jena的共同资深作者说:“如果您要进行大量的能量转换,那么GaN和碳化硅等宽带隙半导体就是解决方案。”

而不是使用杂质,博士学位。该论文的主要作者学生Reet Chaudhuri在AlN晶体上堆叠了一层薄的GaN晶体层(称为量子阱),发现其晶体结构的差异产生了高密度的活动空穴。与掺杂镁相比,研究人员发现所产生的二维空穴气体使GaN结构的导电性几乎提高了10倍。

使用Chaudhuri,合著者和博士学位的新材料结构。学生Samuel James Bader最近在与英特尔合作的项目中展示了一些最高效的p型GaN晶体管。现在,该团队已经能够制造被称为p型的孔道晶体管,他们计划将它们与n型晶体管配对以形成更复杂的电路,从而为大功率开关,5G蜂窝技术开辟了新的可能性以及节能电子产品,包括电话和笔记本电脑充电器。

“在宽带隙半导体中同时实现n型和p型非常困难。目前,碳化硅是除GaN之外唯一同时具有n型和p型的。但是,碳化硅中的移动电子比GaN中的移动电子更慢”,电子与计算机工程以及材料科学与工程学教授,合力资深作者邢慧丽说。 “使用由n型和p型器件实现的这些互补操作,可以构建更加节能的体系结构。”

二维空穴气体的另一个优点是,随着温度降低,其电导率会提高,这意味着研究人员现在将能够以以前不可能的方式研究基本的GaN性质。同样重要的是,它具有保留能量的能力,这些能量原本会在效率较低的电力系统中丢失。

该发现已通过技术许可中心提交了专利申请。

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