شناسایی آلودگی کربن به عنوان مانع اصلی در الکترونیک اکسید گالیوم
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان دانشگاه کرنل یک عامل تقریباً نامرئی را کشف کرده‌اند که مانع توسعه نسل بعدی لوازم الکترونیکی پرقدرت می‌شود: یک لایه میکروسکوپی از آلودگی کربنی، که اغلب در اثر قرار گرفتن در معرض هوا و تکنیک‌های ساخت باقی می‌ماند، که جریان الکتریکی را در دستگاه‌های ساخته شده با اکسید گالیم مختل می‌کند. آنها همچنین یک راه حل پیدا کرده‌اند.
مطالعه‌ای که در ۲۰ ژوئن در مجله APL Materials منتشر شد، از جمله اولین مطالعاتی است که به طور مستقیم این مانع نانومتری را که می‌تواند هنگام الگودهی فلزات بر روی نیمه‌رساناها، یک رابط ضروری برای ورود و خروج جریان از دستگاه‌های الکترونیکی، ایجاد شود، تجسم می‌کند. وقتی این تماس‌ها مقاومت داشته باشند، عملکرد دستگاه دچار مشکل می‌شود.
این چالش به ویژه در اکسید گالیوم بتا، یک ماده نیمه‌هادی با شکاف باند فوق‌العاده وسیع، برجسته‌تر است که روزی می‌تواند به دستگاه‌هایی مانند وسایل نقلیه الکتریکی و زیرساخت‌های شبکه اجازه دهد تا ولتاژ‌های بالاتر را به طور مؤثرتری مدیریت کنند.
نائومی پیچولفسکی، دانشجوی دکترای علوم و مهندسی مواد و نویسنده‌ی همکار این مطالعه، گفت: «این مشکل مدتی است که در حوزه‌ی اکسید گالیوم وجود دارد. گاهی اوقات رسانایی خوبی دارید و گاهی اوقات مطلقاً هیچ رسانایی ندارید و هیچ‌کس واقعاً نمی‌تواند دلیل آن را مشخص کند.»
تحقیقات پیِچِزولِوسکی چندین آزمایشگاه کرنل را در بر می‌گیرد که به‌طور منحصر‌به‌فرد برای بررسی این مشکل در موقعیت‌های مختلف قرار دارند، از جمله یکی که در تولید مواد اکسیدی تخصص دارد و دیگری که در میکروسکوپی با وضوح اتمی تخصص دارد.
پیِچِزولِوسکی و همکارانش با تمرکز بر فصل مشترک بین اکسید بتا گالیوم و اتصال تیتانیوم، از میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی و سایر تکنیک‌ها برای مقایسه دو روش رایج برای ساخت اتصال استفاده کردند: یک فرآیند سنتیِ بلند کردن و یک فرآیندِ فلز-اول که در آن فلز قبل از الگودهی نیمه‌رسانا رسوب داده می‌شود.
در نمونه‌های پرتاب‌شده، محققان یک لایه نازک و تکه‌تکه از کربن بین فلز و نیمه‌رسانای باقی‌مانده از مواد مقاوم در برابر نور مورد استفاده در طول پردازش مشاهده کردند. برای مقابله با آلودگی، قرار گرفتن در معرض یک ساعت اشعه ماوراء بنفش-ازن به طور مؤثر لایه کربن را از بین برد و مقاومت تماسی را تا ۰.۰۵ اهم-میلی‌متر کاهش داد، که در میان کمترین مقاومت‌های گزارش‌شده برای تماس‌های اکسید بتا گالیوم غیرآلیاژی است.
آلودگی کربن ناشی از قرار گرفتن در معرض هوا در روش ساخت فلز-اول با یک تیمار اکسیژن فعال پنج دقیقه‌ای برطرف شد که به طور قابل توجهی مقاومت تماس را کاهش داده و جریان را بهبود بخشید.
پیِچِزولِوسکی گفت: «این تحقیق راهی را برای تولید دستگاه‌های با شکاف باند فوق‌العاده وسیع و قابل اعتماد و سازگار فراهم می‌کند. این یک پیشرفت تدریجی است، اما من فکر می‌کنم از نظر حرکت به سمت تجاری‌سازی قابل توجه است.»
دیگر نویسنده‌ی همکار این مطالعه، کاتلین اسمیت، دارای مدرک دکترا در سال ۲۰۲۴ است. نویسندگان مسئول شامل هویلی گریس زینگ، استاد مهندسی برق و کامپیوتر و علوم و مهندسی مواد در کالج ویلیام ال. کواکنبوش؛ و دیوید مولر، استاد مهندسی ساموئل بی. اکرت در دانشکده‌ی فیزیک کاربردی و مهندسی هستند.
این مطالعه اولین مطالعه‌ای بود که هر هفت محقق اصلی مرکز AFRL-Cornell Center for Epitaxial Solutions، که با نام ACCESS نیز شناخته می‌شود، را در یک مقاله تحقیقاتی گرد هم آورد، که به همراه زینگ و مولر شامل دبدیپ جنا، استاد مهندسی David E. Burr؛ مایکل تامپسون، استاد مهندسی Dwight C. Baum؛ دارل شلوم، استاد دانشگاه Tisch؛ فرهان رانا، استاد مهندسی Joseph P. Ripley؛ و هری نایر، استادیار علوم و مهندسی مواد می‌شوند.
دانشگاه ایالتی بویزی و شرکت میکرون، از طریق شرکت تحقیقات نیمه‌هادی (SRC)، تکنیک‌های پیشرفته توصیف را در این مطالعه ارائه دادند.