Nie jest łatwo wyhodować kryształ potrzebny do produkcji diod laserowych. Polacy to pionierzy w tej dziedzinie gospodarki, na niektóre badania firma TopGaN otrzymuje pieniądze publiczne. Jeden z grantów ma określić optymalną dezorientację podłoży azotku galu i węglika krzemu. Czym jest ów tajemniczy parametr i jakie ma znaczenie w produkcji przyrządów elektronicznych i optoelektronicznych?

"Każdy przyrząd elektroniczny składa się z trzech części - podłoża, dalej z cienkich warstw kryształów, które nazywamy epitaksjalnymi, a w końcu z processingu. Grant na temat dezorientacji dotyczy szczególnego problemu. Przedmiotem badań jest tu podłoże, którego używa się do osadzania warstw azotku galu lub węglika krzemu. Produkujemy azotek galu sami albo we współpracy z firmą Ammono utworzoną przez absolwentów Wydziału Fizyki UW" - mówi prof. dr hab. Michał Leszczyński z Instytutu Wysokich Ciśnień PAN.

Kryształ azotku galu. Z archiwum IWC PAN, Wikimedia

Uczony jest jednocześnie wiceprezesem firmy technologicznej TopGaN Sp. z o.o. (od chemicznej nazwy azotku galu - GaN). Przyznaje, że trudno taki kryształ wyhodować. Normalnie wszystkie kryształy półprzewodników są robione metodą Jana Czochralskiego - roztapia się materiał, wkłada maleńki kryształek i na tym kryształku rośnie duży kryształ. Ale w przypadku azotku galu to prawie niemożliwe, bo roztapia się on w temperaturze 2,5 tys. stopni, a rozkłada się w 1 atmosferze w 1000 stopni.

"Żeby go roztopić trzeba by było zwiększyć ciśnienie do kilku tysięcy atmosfer, co jest w dużej objętości niemożliwe. Stosuje się zatem szereg metod, które są niedoskonałe - przede wszystkim kryształy rosną bardzo wolno, mają dużo defektów, bo temperatura wzrostu jest bardzo niska i te wszystkie zastosowania są odwlekane z roku na rok, bo brakuje podłoży do diod laserowych" - mówi prof. Leszczyński.

Technologie podłoży azotku galu Polacy opatentowali jako pierwsi. Japończycy produkują teraz podłoża większe, ale gorszej jakości. Polskie są za małe na wielką produkcję, dlatego uczeni starają się zwiększyć wymiary kryształu.

Węglik krzemu to następny element układanki. Oprócz diod laserowych TopGan produkuje warstwy do zastosowań w tranzystorach. Półprzewodniki azotkowe są stosowane do produkcji tranzystorów, są to przyrządy elektroniczne na bazie krzemu, stosowane np. do radarów, w samochodach, gdzie następuje zmiana prądu zmiennego na stały. Takie warstwy produkuje się na podłożach z węglika krzemu, który Polacy kupują w Stanach Zjednoczonych lub w Chinach. Dzięki pomysłowi dra Marcina Sarzyńskiego z Instytutu Wysokich Ciśnień PAN udało się opatentować metodę, dzięki której tranzystory będą znacznie tańsze. Chodzi o strukturę na powierzchni węglika krzemu.

Jak wyjaśnia prof. Leszczyński, technologia podłoży składa się z kilkudziesięciu elementów. Wszystkie granty, które do tej pory realizowała firma TopGaN finansują wycinek badań. Temat grantu współfinansowanego przez NCBR nosi tytuł "Optymalizacja dezorientacji podłoży GaN i SiC do produkcji przyrządów elektronicznych i optoelektronicznych".

"Dezorientacja to jest parametr, który mówi nam, jaki jest kąt między powierzchnią, a płaszczyznami kryształów na podłożu. Powierzchnia może być pod lekkim kątem do warstwy atomów, wtedy te warstwy mają różne własności. Mają inne defekty, inny skład chemiczny. Chodzi o to, żeby zoptymalizować ten kąt zarówno dla podłoży azotku galu, jak i węglika krzemu" - wyjaśnia prof. Leszczyński.

Przy zmianie kąta zmienia się bardzo dużo różnych rzeczy. Na przykład, kiedy uczeni zwiększają kąt, to laser z barwy zielonej zmienia się na niebieską, co jest niepożądane. Z drugiej strony, przy zwiększaniu dezorientacji opór próbki maleje. Badacze mogą puścić więcej prądu elektrycznego przy mniejszy napięciu, co oznacza mniejsze straty.

"Szukamy optimum. Jeżeli zmienia nam się ilość defektów przy zmianie dezorientacji, to przyrząd może +żyć+ dłużej. Trudność tego grantu polega na tym, że dezorientacja nie jest jedynym parametrem i nie jest niezależnym. Przy wzroście naszej warstwy musimy jednocześnie optymalizować przepływy reagentów, temperaturę, ciśnienie w reaktorze, tak, że to jest dość skomplikowane żeby w końcu otrzymać informację, jaka jest najlepsza dezorientacja podłoża dla pilotażowej linii produkcyjnej" - mówi profesor.

Polacy udoskonalają technologię produkcji kryształów azotku galu. Na utworzonej w Warszawie pilotażowej linii produkcyjnej powstają lasery fioletowo-niebieskie. Polskie diody kupują dystrybutorzy z kilku krajów.

Projekt kończy się 30 października, zaczął się 3 lata wcześniej. Jest finansowany z Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. Jego całkowity koszt wynosi prawie 2,5 mln zł. Narodowe Centrum Badań i Rozwoju przekaże dofinansowanie w kwocie prawie 2 mln, pozostałe środki zainwestuje TopGaN.

PAP - Nauka w Polsce, Karolina Olszewska. Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl