Giờ đây, bước đột phá từ các nhà nghiên cứu tại Đại học Nagoya, Nhật Bản có thể thay đổi điều đó. Họ tạo ra phương pháp mới để chế tạo chất bán dẫn gallium oxide (Ga₂O₃) mạnh hơn, hiệu quả hơn, có khả năng dẫn dòng điện gấp đôi so với trước đây.
Chất bán dẫn là trái tim của các thiết bị điện tử, một trong những bộ phận quan trọng nhất của chúng là diode. Diode được tạo ra bằng cách ghép hai lớp bán dẫn: một lớp có thêm electron (loại n), một lớp thiếu electron, còn gọi là “lỗ trống” (loại p).
Kết nối này cho phép dòng điện chạy theo một hướng chứ không phải theo hướng ngược lại, khiến diode trở nên quan trọng trong việc kiểm soát dòng điện trong mọi thứ, từ điện thoại thông minh đến xe điện.
Gallium oxide từ lâu được coi là giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho silicon, vì nó có thể chịu điện áp cao hơn nhiều và ít lãng phí năng lượng dưới dạng nhiệt. Điều đó mang lại hiệu quả tốt hơn cho các hệ thống tiêu thụ nhiều điện như lưới điện năng lượng tái tạo hoặc trạm sạc xe điện.
Vấn đề cho đến nay, trong khi các lớp gallium oxide loại n dễ chế tạo thì các lớp loại p gần như không thể. Cấu trúc tinh thể của gallium oxide tự nhiên loại bỏ các nguyên tử cần thiết cho lớp loại p, khiến thiết bị trở nên không đáng tin cậy.
Nhóm nghiên cứu tại Đại học Nagoya cuối cùng giải quyết được vấn đề này. Giải pháp của họ là tiêm các nguyên tử nickel vào gallium oxide bằng cách bắn phá bề mặt, bằng các nguyên tử được bắn với tốc độ cao.
Sau đó, họ cẩn thận nung nóng vật liệu theo hai bước: đầu tiên ở 300°C bằng các gốc oxy hoạt hóa, sau đó ở 950°C trong khí oxy. Quá trình này biến đổi nickel thành nickel oxide và liên kết chặt chẽ với cấu trúc gallium oxide, tạo ra lớp loại p được tìm kiếm từ lâu.
Kết quả là lần đầu tiên, các diode p-n gallium oxide, có khả năng dẫn dòng điện gấp đôi so với các thiết bị gallium oxide trước đây, trong khi tiêu tốn ít năng lượng hơn so với diode silicon. Điều này có nghĩa, các thiết bị điện tử mát hơn, hiệu quả hơn và tiết kiệm chi phí hơn.
Hơn thế nữa, phương pháp này không đòi hỏi thiết bị đặc biệt, chỉ cần các thiết bị công nghiệp hiện có, nghĩa là có thể mở rộng quy mô để sản xuất hàng loạt. Với quy trình mới này, gallium oxide cuối cùng có thể chuyển từ phòng thí nghiệm nghiên cứu sang trung tâm các hệ thống điện tiên tiến trên thế giới.
Các nhà phân tích ước tính, thị trường chất bán dẫn gallium oxide có thể đạt gần 15 tỉ yên mỗi năm vào năm 2035. Những tác động đến hiệu quả năng lượng và chi phí trong tương lai là rất đáng kể, đặc biệt là đối với xe điện và ngành công nghiệp năng lượng tái tạo.
