Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü Tarafından Yüksek Kaliteli Galyum Nitrür Kristalleri için Yeni Bir Tekniğin Geliştirilmesi
Fotoğraf: Flux-Film Kaplı Sıvı Faz Epitaksi (FFC-LPE) tekniği kullanılarak GaN kristal büyütme tekniğinin şematik gösterimi
Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü (NIMS) ve Tokyo Teknoloji Enstitüsü, mevcut teknikler kullanılarak üretilenlerden önemli ölçüde daha az kusur içeren yüksek kaliteli Galyum Nitrür (GaN) kristalleri üretmek için yeni bir teknik geliştirdi. GaN kristalleri, yeni nesil güç cihazların (yarı iletken) geliştirilmesi için umut verici bir malzemedir. Bir kristalin doğrudan bir çözelti içinde büyütüldüğü geleneksel tekniklerin aksine, bu teknikte çözeltinin istenmeyen kalıntılarını büyüyen kristal içinde hapsolmasını önleyen ince alaşımlı film ile kaplanmış bir substrat kullanılmaktadır.
GaN yarı iletkenleri, silikon yarı iletkenlere göre daha güçlü elektrik akımlarına ve daha yüksek voltajlara dayanabilmektedir. Bu avantajlar, araçlarda ve diğer amaçlarda kullanılmak üzere yeni nesil güç cihazlarında kullanım için GaN üzerinde yoğun bir Ar-Ge çalışmalarına yol açmaktadır. Bununla birlikte, gaz halindeki bir hammaddenin bir substrat üzerine püskürtüldüğü geleneksel GaN tek kristal büyütme tekniklerinin temel bir dezavantajı bulunmaktadır. Bu dezavantaj kristalde birçok atomik ölçekli kusurun (dislokasyonlar dahil) oluşumuna neden olmasıdır.
Dislokasyonlu GaN kristalleri güç cihazlarına entegre edildiğinde, kaçak akım cihazlardan geçip onlara zarar vermektedir. Yoğun çabalar sonunda bu sorunu çözmek için iki alternatif kristal sentez tekniği geliştirilmiştir. Bunlar ammonotermal yöntemi ve sodyum akışı yöntemidir. Her iki yöntemde de, kristal büyümesi için hammaddeleri içeren çözelti içinde bir kristal büyütülür. Sodyum akışı yönteminin dislokasyon oluşumunu en aza indirmede etkili olduğu kanıtlanmıştır. Sodyum akışı yönteminin tek sorunu büyüyen bir kristalin kalıntılarını (solüsyonun bileşenlerinin kümelerini) içermesidir.
Bu çalışmada, araştırmacılar GaN-çekirdek substratını art arda kristal büyümesi için hammaddelerden (yani galyum ve sodyumdan) oluşan sıvı bir alaşımla kaplayarak bir GaN kristali oluşturdular ve böylece kalıntıların büyüyen kristal içinde sıkışmasını önlemiş oldular. Buna ek olarak, bu tekniğin yüksek kaliteli kristallerin senteziyle sonuçlanan dislokasyon oluşumunu önemli ölçüde azaltmada etkili olduğu bulunmuştur. Bu teknik, yaklaşık bir saat içinde çok basit bir işlemle yüksek kaliteli bir GaN substratının üretilmesine de izin vermektedir.
Geliştirilen teknik, yeni nesil güç cihazlarında kullanılmak üzere yüksek kaliteli GaN substratları üretmek için yeni bir yöntem sunabilmektedir. Araştırmacılar şu anda küçük kristalleri büyüterek bu yöntemin etkinliğini doğrulamaktadırlar. İlerleyen çalışmalarda da onu daha büyük kristallerin sentezini sağlayacak pratik bir teknik haline getirmeyi planlıyorlar.
Kaynak: phys.org
