Полупроводники из нитрида галлия (GaN) теперь можно выращивать без аммиака – токсичного химического вещества, которое нуждается в сложной системе детоксикации, прежде чем его можно будет выбросить в атмосферу. Новая технология не только более экологична, но и позволяет эффективно и качественно выращивать кристаллы по более низкой цене. Ученые смогут производить полупроводники с меньшими затратами сырья и энергии. Исследователи из Университета Нагоя в Японии возглавили работу, результаты которой были опубликованы в журнале Scientific Reports.
GaN – это соединение галлия (Ga) и азота (N), которое выступает в качестве полупроводника. Полупроводники на основе GaN широко используются в базовых станциях мобильной связи, адаптерах для быстрой зарядки источников питания, средствах микроволновой и миллиметровой связи, визуализации, радиоастрономии, радарных системах, в том числе военных, благодаря их способности выдерживать высокое напряжение и ток.
Наиболее распространенным методом коммерческого производства пленок GaN является металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы, в котором в качестве источника азота для Ga используется газ аммиак (NH3). Однако скорость распада аммиака в этом процессе, известная как эффективность разложения, очень низка.
«В результате требуется большой расход аммиака, который является очень токсичным и едким газом, который при вдыхании может вызвать серьезные повреждения глаз, кожи и дыхательной системы. В связи с этим большая часть аммиака должна быть выведена и утилизирована, что требует больших затрат энергии. Это составляет большую часть, до половины, общей стоимости производства», – говорит исследователь Арун Дхасиян.
Группа ученых получила активированный азот путем подачи на один из электродов высокочастотного напряжения (100 МГц). Используя эту запатентованную методику, команда разработала недорогой и высококачественный материал GaN для полупроводниковых приборов.
«Наш метод, известный как метод REMOCVD, решает три проблемы роста GaN. Он позволяет выращивать полупроводники GaN при более низких температурах (около 800°C по сравнению с более чем 1150°C); он использует азот и водород вместо аммиака, что позволяет экономить сырье и снижать себестоимость продукции; а также исключает этап извлечения азота из аммиака, что ускоряет процесс при более низких температурах», – пояснил Дхасиян.
Новый метод выращивания кристаллов может заменить традиционный, поскольку он прост в промышленном применении и позволяет получать полупроводники GaN с меньшим количеством примесей. Команда рассчитывает, что разработка новой технологии позволит усовершенствовать полупроводниковые приборы на основе GaN с низким энергопотреблением, что приведет к созданию более эффективных устройств.
«Мы вырастили слои GaN, нитрида индия и нитрида алюминия методом REMOCVD и обнаружили, что все эти широко используемые полупроводниковые материалы можно выращивать при гораздо более низких температурах, без использования газообразного аммиака. Самое интересное, что структура кристаллов и скорость роста почти не отличаются, так что мы можем наслаждаться тем же уровнем качества при меньшем воздействии на окружающую среду», – говорит Дхасиян.
[Фото: Reiko Matsushita / Nagoya University]