Universität Aalto / Galliumnitrid Beryllium-dotiertes GaN für kommende Leistungshalbleiter

Probenkammer des Positronbeschleunigers.
Probenkammer des Positronbeschleunigers.

Galliumnitrid mit Beryllium zu dotieren hatte man vor 15 Jahren weitgehend verworfen. Nun haben Physiker an der finnischen Universität Aalto diese Methoden überarbeitet. Damit könnte sich die Leistungselektronik in ganz neue Bereiche bei der Energieeffizienz entwickeln.

In den späten 1990er Jahren wurden Experimente mit Beryllium-Dotierung durchgeführt. Die Hoffnung war, dass sich dieses Dotierungsmittel in LED-Leuchten als wirksamer erweist als das vorherrschende Magnesium. Die Arbeit erwies sich jedoch als nicht erfolgreich, und die Forschung mit Beryllium wurde weitgehend verworfen.

In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus Texas und Warschau ist es Forschern der Universität Aalto dank Fortschritten in Computermodellierung und experimentellen Techniken gelungen zu zeigen, dass Beryllium tatsächlich nützliche Funktionen in Galliumnitrid erfüllen kann. Der in den Physical Review Letters veröffentlichte Artikel zeigt, dass Berylliumatome in Abhängigkeit davon, ob das Material erhitzt oder gekühlt wird, ihre Positionen wechseln. Dadurch ändert sich, ob sie Elektronen abgeben oder aufnehmen. Um dieses Ergebnis zu erreichen, verwendeten die Forscher einen Positronenbeschleuniger ähnlich dem oben abgebildeten.

»Unsere Ergebnisse liefern wertvolles Wissen für experimentelle Wissenschaftler über die Grundlagen, wie Beryllium sein Verhalten während des Herstellungsprozesses verändert. Unter hohen Temperaturen funktioniert die dotierte Verbindung ganz anders im Endergebnis«, beschreibt Professor Filip Tuomisto vom Institut für Angewandte Physik der Universität Aalto die Entdeckung.

Wenn die Beryllium-dotierte GaN-Strukturen und ihre elektronischen Eigenschaften vollständig gesteuert werden können, könnte sich die Leistungselektronik zu einem ganz neuen Bereich der Energieeffizienz bewegen. »Die Steigerung in der Energieeffizienz könnte ähnlich ausfallen wie bei der Umstellung auf LED-Leuchten von herkömmlichen Glühlampen«, sagt Tuomisto und ergänzt: »Möglicherweise lässt sich der weltweite Stromverbrauch um bis zu zehn Prozent senken, indem die Energieverluste in Stromverteilungssystemen reduziert werden«

Originalveröffentlichung:

Filip Tuomisto, Vera Prozheeva, Ilja Makkonen, Thomas H. Myers, Michal Bockowski, and Henryk Teisseyre, Amphoteric Be in GaN: Experimental Evidence for Switching between Substitutional and Interstitial Lattice Sites, Phys. Rev. Lett. 119, 196404 – Published 9 November 2017, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.196404