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.
Почему нитрид галлия так важен?
GaN относится к полупроводникам третьего поколения и широко применяется в базовых станциях 5G, радарах, военных системах связи, аэрокосмической промышленности и средствах радиоэлектронной борьбы. В ряде приложений он значительно превосходит кремний благодаря способности работать при более высоких напряжениях, частотах и температурах.
На сегодняшний день ведущие мировые державы активно используют нитрид галлия для производства передовых чипов. Особый вес открытию придаёт тот факт, что Китай контролирует около 98% мирового производства галлия – химического элемента, необходимого для создания нитрида галлия.
Недавно Поднебесная ввела запрет на экспорт галлия в Америку, что привело к значительному росту стоимости полупроводников на его основе. Это создало серьёзные трудности для американских компаний и особенно для Пентагона, которому теперь сложнее приобретать доступные по цене чипы.
Геологическая служба США (USGS) предупреждает, что экономические последствия этого шага затронут очень много отраслей.
Как было сделано открытие?
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.
От положения этого энергетического уровня напрямую зависят электрические свойства полупроводника: проводит ли он ток, насколько хорошо и при каких условиях. Китайским исследователям удалось установить, что, изменяя уровень Ферми с помощью добавления определённых примесей и регулировки напряжения на электродах, можно значительно снизить вероятность появления дефектов при производстве нитрида галлия.
Это открытие полностью меняет подход к изготовлению GaN-полупроводников. “Традиционные методы борьбы с дефектами включали использование разных типов подложек и изменение температуры кристаллизации, но эти подходы устраняли лишь симптомы, а не саму причину проблемы”, – пояснил профессор Хуан Бин, выступая перед учёными Пекинского центра вычислительных научных исследований.
Стратегическое значение для Китая
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. Если теперь китайские производители смогут выпускать более качественные и доступные чипы, технологический перевес США в военной электронике может существенно сократиться.
Научный прорыв профессора Хуан Бина выходит далеко за рамки чисто академического интереса. Его практическое применение способно трансформировать целые отрасли промышленности – от телекоммуникаций и сетей 5G до космической и оборонной техники. Поднебесная, контролирующая как сырьевую базу (98% мирового производства галлия), так и теперь продвинутые технологии обработки, оказывается в исключительно выгодном положении.
Физические особенности нитрида галлия
Ключевая характеристика любого полупроводника – ширина запрещённой зоны. Это энергетический барьер, который электроны должны преодолеть, чтобы перейти из связанного состояния (валентная зона) в состояние, где они могут свободно перемещаться и проводить электрический ток (зона проводимости).
У нитрида галлия ширина запрещённой зоны составляет 3,4 электронвольта, что почти в три раза больше, чем у кремния (1,1 электронвольта). Именно это свойство делает GaN таким ценным для электроники.
Благодаря таким характеристикам приборы на основе нитрида галлия могут работать при напряжениях, в несколько раз превышающих предельные значения для кремния, не рискуя выйти из строя из-за электрического пробоя. Они также сохраняют стабильность при температурах до 400 градусов Цельсия, когда обычные кремниевые чипы давно бы перестали функционировать.
Ещё одно преимущество GaN – высокая подвижность электронов, позволяющая создавать устройства для работы на частотах в десятки гигагерц. Это критически важно для современных радиолокационных систем, систем радиоэлектронной борьбы и сетей связи последнего поколения.
Однако уникальная гексагональная структура кристалла вещества, придающая ему столь выдающиеся свойства, одновременно создаёт серьёзные проблемы при производстве. В отличие от кубической решётки кремния, где свойства одинаковы во всех направлениях, гексагональная решётка GaN проявляет анизотропию – зависимость физических характеристик от направления в кристалле.