Группа исследователей из Пекинского университета под руководством профессора Хуан Бина
совершила прорыв в понимании природы дефектов в нитриде галлия (GaN) – перспективном полупроводниковом материале, критически важном для создания передовой электроники, особенно военного назначения.
Учёные выявили, что главная проблема возникает на этапе выращивания кристаллов GaN. Этот процесс обычно происходит на подложках из других материалов, таких как кремний или сапфир, которые служат основой для роста кристаллической структуры.
В ходе исследования команда обнаружила, что основная причина дефектов – так называемые дислокации, нарушающие кристаллическую решётку материала. Эти микроскопические несовершенства приводят к утечкам тока и существенно снижают производительность полученных чипов. Проблема усугубляется тем, что у нитрида галлия гексагональная (шестиугольная) атомная структура, принципиально отличающаяся от кубической структуры кремния.
Исследователи отмечают, что дефекты в кремнии обычно вызваны процессом скольжения – движением атомов вдоль определённой плоскости. За десятилетия работы полупроводниковая промышленность научилась эффективно контролировать эти процессы. Однако в случае с нитридом галлия дефекты возникают преимущественно из-за так называемого восхождения – изменения количества локальных атомов в кристаллической решётке. Этот процесс до настоящего времени оставался плохо изученным.
Успех группы профессора Хуан Бина стал возможен благодаря применению сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM). Эта передовая технология позволила буквально заглянуть внутрь материала и впервые зафиксировать перемещения отдельных атомов в кристаллической решётке вещества.
В ходе экспериментов учёные обнаружили, что главным фактором, влияющим на образование дефектов, выступает так называемый уровень Ферми. В физике полупроводников этот параметр указывает энергетическую границу, выше которой электроны уже не могут находиться в стабильном состоянии при температуре абсолютного нуля. Проще говоря, уровень Ферми можно представить как своеобразную "ватерлинию" в море электронов, заполняющих материал.
Если Пекин сумеет наладить выпуск чипов из нитрида галлия с минимальным количеством дефектов, стоимость такой продукции заметно снизится. Это создаст ценовое преимущество для китайской электроники на международных рынках.
Особое значение технология имеет для военной сферы. Американские оборонные системы – от современных радаров до средств связи и радиоэлектронной борьбы – широко используют компоненты на основе нитрида галлия. При этом США уже столкнулись с трудностями после того, как Китай ограничил экспорт (ввел запрет на экспорт галлия в Америку). Если теперь китайские производители смогут выпускать более качественные и доступные чипы, технологический перевес США в военной электронике может существенно сократиться.
Источник
