Китайские исследователи обнаружили основную причину дефектов в перспективном полупроводниковом материале нитриде галлия (GaN), который имеет решающее значение для разработки современной электроники, в частности, военной.
Как сообщают китайские СМИ, команда ученых, возглавляемая профессором Хуан Бином (Huang Bing) и его коллегами из Пекинского университета, выявила основную причину дефектов при выращивании кристаллов GaN. При изготовлении GaN обычно для поддержки роста кристаллов используются подложки, такие как кремний и сапфир. Проводя исследования, китайские ученые обнаружили, что эта проблема связана с дислокационными дефектами, которые нарушают кристаллическую структуру, что приводит к снижению производительности кристаллов GaN.
Команда китайских исследователей обнаружила эти дефекты, потому что кристалл GaN имеет гексагональную атомную структуру, что отличает его от кубической структуры кремния. Это отличается от дефектов кремния, обычно вызываемых скольжением (движением по плоскости), которое промышленность научилась контролировать. Дефекты GaN, с другой стороны, в основном возникают из-за изменения числа локальных атомов, процесса, который до сих пор был плохо изучен.
Как указывают китайские СМИ, команда ученых из Пекинского университета сделала свое открытие благодаря грамотному использованию сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM). Используя эту технологию, они впервые наблюдали дислокации атомного масштаба. Они обнаружили, что “настройка уровня Ферми” (регулирование энергетических уровней электронов) может контролировать и уменьшать количество дефектов. Как указывают специалисты в этой отрасли, “энергетический уровень Ферми” можно сравнить с “уровнем воды” в мире электроники. В результате контроля этого уровня можно достичь самой высокой стабильной энергии электронов. Это определяет, проводит ли полупроводник электричество и насколько легко. За счет введения определенных примесей и увеличения напряжения на затворе, китайские исследователи минимизировали дислокации при изготовлении GaN.
“Традиционные стратегии предотвращения дефектов включают использование различных подложек и регулирование температуры кристаллизации, но эти подходы направлены только на устранение симптомов, а не причины”, - указал профессор Хуан Бин из Пекинского исследовательского центра вычислительной техники.
GaN - это полупроводниковый материал третьего поколения, широко используемый в базовых станциях 5G, радарах, военной связи, аэрокосмической промышленности и радиоэлектронной борьбе. В определенных областях применения он превосходит кремний благодаря своей способности работать при более высоких напряжениях, частотах и температурах. В настоящее время крупные мировые державы, такие как Соединенные Штаты, в значительной степени полагаются на GaN в производстве передовых чипов. Это делает его стратегически важным в продолжающемся технологическом соперничестве между США и Китаем.
Китай контролирует около 98% мирового производства галлия и недавно запретил его экспорт в США. Это привело к росту стоимости полупроводников на основе GaN, что усложнило для США (особенно Пентагона) поиск доступных по цене чипов. Геологическая служба США (USGS) признает, что экономический эффект будет значительным и затронет отрасли, использующие чипы на основе GaN.
Если отчеты о результатах исследований ученых из Пекинского университета верны, это означает значительный шаг на пути к повышению эффективности и снижению стоимости полупроводников на основе GaN. При способности Китая массово производить высококачественные чипы на основе GaN, это может увеличить его лидирующие позиции в области полупроводниковых технологий, особенно в военных целях и для приложений 5G, увеличить разрыв в ценах на полупроводники, сделав китайские чипы более конкурентоспособными. Поскольку США зависят от GaN в военном применении, эти разработки могут увеличить стратегическое преимущество Китая не только в электронике, но и в обороне.