Halvledarkomponenter är en grundsten i all elektronik som den moderna världen kretsar kring. Men de skulle behöva bli betydligt energisnålare. Nu undersöker forskare vid två svenska universitet om halvledarmaterial med ultrabreda bandgap kan vara lösningen.
Projektanslag 2024
Transforming ceramics into next-generation semiconductors
Huvudsökande:
Professor Vanya Darakchieva
Medsökande:
Linköpings universitet
Igor Abrikosov
Per Persson
Lunds universitet
Erik Lind
Mathias Schubert
Beviljat anslag:
26 miljoner kronor under fem år
Det finns material som är bra elektriska ledare, sådana som tvärtom är isolatorer – och så finns halvledare, som blir ledande under vissa förutsättningar. I halvledarmaterial bildar elektronernas energinivåer energiband som skiljs åt av ett bandgap. Under vissa omständigheter kan elektronerna få tillräckligt hög energi för att hoppa över bandgapet, vilket gör att materialet börjar leda ström.
Dagens halvledarchip bygger till stor del på kiselföreningar med små bandgap. De har varit enklast att arbeta med, men med tiden har även material med större bandgap utvecklats och används i bland annat LED-belysning. I ett projekt med stöd från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse arbetar nu forskare i Lund och Linköping med en tredje typ av material, med ”ultrabreda” bandgap.
– I genomsnitt går närmare 10 procent av all producerad energi förlorad i olika omvandlingssteg, när en energiform omvandlas till en annan. Det material vi arbetar med skulle spara mycket energi genom att omvandla elektricitet på ett väldigt effektivt sätt – om materialet var ledande. Men det är det inte. Så projektet handlar om hur vi ska kunna åstadkomma det.
Det berättar Vanya Darakchieva, professor i fasta tillståndets fysik vid Lunds universitet och ledare för projektet.
Okända reaktioner ska kartläggas
Materialet som forskarna fokuserar på är aluminiumnitrid. Men målet är inte bara att lyckas med just aluminiumnitrid, utan att skapa ett teoretiskt och praktiskt ramverk för hur man styr vissa material, en grupp så kallade keramer, till att fungera som halvledare.
Keramer har i allmänhet kristallstruktur. För att de ska kunna leda ström behöver de tillverkas med designade defekter i kristallen. Utmaningen är att producera ett material som blir tillräckligt rent, med just de defekter som gör materialet användbart, men inga andra.
– Det är som att vi försöker röra vid materialet med ett trollspö, så att det plötsligt fungerar så som vi vill. Ibland är vi framgångsrika magiker, ibland misslyckade. Men även när vi inte lyckas lär vi oss massor. De ultrabreda bandgapen gör att alla fysikaliska fenomen blir helt annorlunda jämfört med andra halvledare, säger Vanya Darakchieva.
Syntesen sker genom att gaser leds in i en försluten kammare där de reagerar och bildar aluminiumnitrid. Materialet har flera goda egenskaper: det är återvinningsbart och det är en bra värmeledare, vilket gör det lättare att minska värmeförlusterna i de färdiga komponenterna. Men materialet växer fram genom kemiska reaktioner och fysikaliska processer som är delvis okända, och som forskarna behöver studera mer i detalj för att kunna kontrollera varje steg i processen.
Vill göra det omöjliga möjligt
I Linköping har forskarteamet under ledning av Igor Abrikosov, professor i teoretisk fysik, utvecklat beräkningsmetoder som gör det möjligt att förutse över 100 000 möjliga defekter i kristallina material och samlat prognoserna i en databas. Med den går det att kartlägga vilka defekter man kan vänta sig i ett visst material, och planera hur de oönskade ska kunna undvikas samtidigt som önskade uppstår. Forskarna i Lund ska analysera de kemiska och fysikaliska fenomenen när materialet tar form, och de planerar att anställa ännu en medarbetare som med Igor Abrikosovs hjälp ska utveckla ett AI-stöd för att effektivisera processen.
När materialet är tillverkat måste det analyseras och karaktäriseras noga på atomnivå så att det säkert fungerar på det sätt som är avsett. Forskare ledda av Per Persson, professor i materialfysik vid Linköpings universitet, kommer att kartlägga hur atomerna är arrangerade i materialet. De kommer att använda transmissionselektronmikroskopi för att kontrollera att strukturen är precis den önskade. Vid Lunds universitet kommer forskarlaget under ledning av gästprofessor Mathias Schubert och Vanya Darakchieva studera defekter i materialet. De kommer att använda en ny och unik metod kallad terahertz-EPR (elektronparamagnetisk resonans, ett slags spektroskopiteknik) för att mäta defekternas laddning, elektronstruktur och kemiska omgivning. I ett sista steg ska en grupp ledd av Erik Lind, professor i nanoelektronik i Lund, utforma halvledarkomponenter med det nya materialet.
– Han får den svåra uppgiften att bevisa för resten av forskarsamhället att vi verkligen har gjort det omöjliga möjligt! Fungerar det har vi skapat ett material som presterar hundratals eller tusentals gånger bättre än de som finns i dag.
Inom projektet ska forskarna även undersöka om de nya materialen kan användas för att skapa kvantnätverk och kvantsensorer som inte kräver kraftig nedkylning för att fungera. Men om det lyckas är det bara en extra bonus, förklarar Vanya Darakchieva. Huvudmålet att projektet ska öppna en ny dörr för materialforskare. Det ska bli möjligt att skapa material med exakt de egenskaper man vill, vilket är en betydligt större fråga än att åstadkomma mer effektiva halvledare.
– Det är vår vision: att låta fysiker passera en helt ny gräns inom materialutveckling.
Text:Lisa Kirsebom
Bild Kennet Ruona
