Succesvolle visualisatie van tweedimensionaal elektronengas in hoogfrequente/vermogensapparaten

De groep onder leiding van professor Naoya Shibata van de Universiteit van Tokio, in samenwerking met Sony Group Corporation, slaagde erin een tweedimensionaal elektronengas direct waar te nemen dat zich ophoopte op de halfgeleiderinterface.

Op GaN gebaseerde apparaten worden gebruikt als zeer efficiënte light-emitting diodes (LED’s) en laserdiodes (LD’s). Vanwege hun hoge diëlektrische doorslagsterkte en verzadigde elektronensnelheid, wordt verwacht dat deze zullen worden gebruikt als hoogfrequente apparaten van de volgende generatie voor communicatie en als stroomapparaten voor stroomomzetting.

In het bijzonder genereren transistors met hoge elektronenmobiliteit (HEMT’s) een laag van geaccumuleerde elektronen, een tweedimensionaal elektronengas genaamd, aan de halfgeleiderinterface. Elektronen kunnen in deze laag met hoge snelheden bewegen, waardoor de HEMT’s uitstekend geschikt zijn voor hoogfrequente werking.

De details van dit tweedimensionale elektronengas zijn cruciaal voor de prestaties van halfgeleiderapparaten en zijn geschat via indirecte experimenten of theoretische berekeningen. Directe observatie en bevestiging van deze verschijnselen zijn echter een uitdaging.

In deze studie combineerde de onderzoeksgroep STEM (MARS) met een magnetische veldvrije atomaire resolutie met een nieuw ontwikkeld tilt-scansysteem en een ultragevoelige, snelle divisie-type detector om direct het tweedimensionale elektronengas waar te nemen dat geaccumuleerd op de hetero-interface galliumnitride/aluminium-indiumnitride (GaN/AlInN).

De groep voerde waarnemingen uit met behulp van de atomaire resolutie differentiële fasecontrast (DPC) -methode, een observatietechniek op atomair niveau van elektromagnetische velden, ontwikkeld door professor Shibata en anderen. Ze hebben met succes het tweedimensionale elektronengas gevisualiseerd en gekwantificeerd dat zich ophoopte in het enkele nanometer brede gebied van de halfgeleiderinterface. Deze vooruitgang maakte controle over het tweedimensionale elektronengas mogelijk en zal naar verwachting de prestaties van transistors verder verbeteren.

De bevindingen van deze studie hebben de ontwikkeling mogelijk gemaakt van krachtige hoogfrequente/vermogensapparaten die tweedimensionaal elektronengas regelen, wat innovaties op het gebied van interface-analyse en besturing van halfgeleiderapparaten tot stand heeft gebracht. Dit heeft ook geleid tot baanbrekende meettechnologieën die het onderzoek naar en de ontwikkeling van geavanceerde materialen en apparaten aanzienlijk kunnen bevorderen.

Het onderzoek wordt gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie.