Aalto-yliopiston tutkijat ovat selvittäneet yhteistyössä Okmeticin ja puolalaisen ITME:n kanssa puolijohdeteollisuudessa erilaisten mikroelektroniikan komponenttien alustana käytetyn SOI-kiekon (Silicon On Insulator) soveltamista galliumnitridi-kiteiden valmistusalustaksi. Tulosten mukaan SOI-rakenne parantaa tehoelektroniikan suorituskykyä.
Tutkijat vertailivat SOI-kiekon ominaisuuksia puolijohdekiteiden valmistuksessa yleisemmin käytössä olevaan piikiekkoon. Okmetic valmistaa korkean suorituskyvyn piikiekkojen lisäksi myös SOI-kiekkoja, joissa kahden piikerroksen välissä on piidioksidi-eristekerros. SOI-tekniikan tavoitteena on parantaa kiekon kapasitiivisia ja eristäviä ominaisuuksia.
- Käytimme standardisoitua valmistusmallia, kun vertailimme kiekkojen ominaisuuksia. SOI-kiekolla saimme valmistettua parempaa kidelaatua kuin piikiekolla. Lisäksi SOI-kiekossa oleva eristävä kerros parantaa läpilyöntikestävyyttä eli mahdollistaa selvästi korkeampien jännitteiden käytön tehoelektroniikassa, sanoo tohtorikoulutettava Jori Lemettinen Elektroniikan ja nanotekniikan laitokselta.
- Galliumnitridi-pohjaiset (GaN) komponentit ovat yleistymässä teho- ja radioelektroniikan sovelluksissa. GaN-sovellusten suorituskykyä voidaan parantaa, kun puolijohdekiteiden valmistusalustana käytetään SOI-kiekkoa, akatemiatutkija Sami Suihkonen lisää.
Galliumnitridin valmistaminen piikerroksen päälle on haasteellista. Standardisoidussa valmistusmallissa (MOVPE) käytettävillä yhdistepuolijohdemateriaaleilla alumiininitridillä, alumiinigalliumnitridillä ja galliumnitridillä on erilaiset lämpölaajenemiskertoimet ja hilavakiot kuin piikiekolla. Nämä erot ominaisuuksissa rajoittavat saavutettavaa kidelaatua ja valmistetun kerroksen suurinta mahdollista paksuutta.
- Tutkimus osoitti, että SOI-kiekon kerrosrakenne voi joustaa galliumnitridi-kerroksen valmistuksen aikana ja siten vähentää kidevirheitä sekä jännitystä”, Lemettinen toteaa.
GaN eli galliumnitridi-pohjaisia komponentteja käytetään yleisesti sinisissä ja valkoisissa ledeissä. Tehoelektroniikan sovelluksissa erityisesti GaN-diodit ja -transistorit ovat herättäneet kiinnostusta esimerkiksi taajuusmuuttajissa tai sähköautoissa. Radioelektroniikan sovelluksissa 5G-verkkojen tukiasemien uskotaan käyttävän tulevaisuudessa GaN-pohjaisia tehovahvistimia. Elektroniikan sovelluksissa GaN-transistori tarjoaa matalan resistanssin ja mahdollistaa korkeat taajuudet sekä tehotiheydet.
