چین علت اصلی نقص‌های نیترید گالیوم را کشف کرد

محققان چینی موفق به کشف علت اصلی نقص‌ها در ماده نیمه‌رسانای نیترید گالیوم (GaN) شده‌اند.

به گزارش تک‌ناک، این ماده برای توسعه وسایل الکترونی پیشرفته، به‌ ویژه در کاربردهای نظامی، حیاتی است. تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور هوانگ بین از دانشگاه پکن، علت اصلی نقص‌ها را در رشد کریستالی GaN اعلام کردند.

نقش زیرلایه‌ها در ساخت نیترید گالیوم

در فرایند ساخت نیترید گالیوم، اغلب از زیرلایه‌هایی مانند: سیلیکون و یاقوت برای تقویت رشد کریستالی استفاده می‌شود. محققان متوجه شدند که مشکل اصلی ناشی از نقص‌های تغییر موقعیت است، که ساختار کریستالی را مختل می‌کند و باعث نشت و کاهش عملکرد می‌شود. این نقص‌ها به دلیل تفاوت ساختار اتمی نیترید گالیوم که شش‌ضلعی است، با ساختار مکعبی سیلیکون ایجاد می‌شوند.

در حالی که نقص‌های سیلیکونی ناشی از لغزش (حرکت اتم‌ها در امتداد یک سطح) هستند و صنعت توانسته است که آنها را کنترل کند، نقص‌های GaN به دلیل بالا رفتن (تغییر در تعداد اتم‌های محلی) ایجاد می‌شوند. این نوع نقص‌ها تا پیش از این به‌خوبی درک نشده بودند.

اهمیت استراتژیک نیترید گالیوم در فناوری و دفاع

نیترید گالیوم یک ماده نیمه‌رسانا است، که در کاربردهای پیشرفته مانند ایستگاه‌های پایه 5G، رادار، ارتباطات نظامی، فضا و جنگ الکترونیک استفاده می‌شود. این ماده در مقایسه با سیلیکون، قادر است در ولتاژها، فرکانس‌ها و دماهای بالاتری کار کند و عملکرد بهتری داشته باشد.

در حال حاضر، قدرت‌های عمده جهانی مانند ایالات متحده به شدت به نیترید گالیوم برای تولید چیپ‌های پیشرفته وابسته هستند. این موضوع در رقابت فناوری بین ایالات متحده و چین اهمیت استراتژیک پیدا کرده است.

چین حدود ۹۸ درصد از تولید جهانی این ماده نیمه‌رسانا را در اختیار دارد و به‌ تازگی صادرات آن به ایالات متحده را ممنوع کرده است. این اقدام باعث افزایش هزینه‌ تولید چیپ‌های مبتنی بر نیترید گالیوم و دشواری در تأمین آنها برای ایالات متحده، به‌ویژه وزارت دفاع این کشور شده است.

مؤسسه زمین‌شناسی ایالات متحده (USGS) هشدار داده است که این محدودیت‌ها تأثیر اقتصادی قابل توجهی بر صنایعی خواهد داشت که به چیپ‌های مبتنی بر نیترید گالیوم وابسته هستند.

کشف نقص‌ها با میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی

تیم تحقیقاتی چین این کشف را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی (STEM) به دست آورد. این فناوری به آنها امکان داد تا برای اولین بار تغییرات اتمی در مقیاس اتمی را مشاهده کنند.

محققان دریافتند که تنظیم سطح فرمی (تنظیم سطح انرژی الکترون‌ها) می‌تواند فرایند بالا رفتن اتم‌ها را کنترل کند و نقص‌ها را کاهش دهد. سطح فرمی، که مشابه سطح آب در دنیای الکترونیک می‌باشد، بالاترین سطح انرژی پایداری است که الکترون‌ها می‌توانند داشته باشند و تعیین می‌نماید که یک نیمه‌رسانا چگونه برق را هدایت می‌کند.

محققان با وارد کردن ناخالصی‌های خاص و افزایش ولتاژ گیت، توانستند نقص‌های تغییر موقعیت را در ساخت GaN کاهش دهند. پروفسور هوانگ بین توضیح داد: «استراتژی‌های سنتی برای جلوگیری از نقص‌ها شامل استفاده از زیرلایه‌های مختلف و تنظیم دماهای بلوری‌سازی است، اما این روش‌ها فقط علائم را برطرف می‌کنند و علت اصلی آن پا برجا است.»

پیامدهای این کشف برای صنعت نیمه‌هادی

اگر چین بتواند تولید نیترید گالیوم با کیفیت بالا و هزینه پایین را بهینه‌سازی کند، می‌تواند شکاف قیمت چیپ‌های نیمه‌رسانای GaN را گسترش دهد و باعث افزایش رقابت‌پذیری چیپ‌های چینی شود. از آنجا که ایالات متحده برای کاربردهای نظامی به نیترید گالیوم وابسته است، این پیشرفت‌ها می‌تواند مزیت استراتژیک چین در حوزه‌های الکترونیک و دفاع را تقویت کند.  

این کشف گامی مهم در جهت بهبود کارایی و کاهش هزینه‌ نیمه‌رساناهای مبتنی بر نیترید گالیوم است. اگر چین بتواند چیپ‌های نیترید گالیوم را با کیفیت بالا به‌ طور انبوه تولید کند، ممکن است برتری خود را در فناوری نیمه‌رسانا، به‌ویژه در کاربردهای نظامی و 5G افزایش دهد.

این پیشرفت‌ها نه‌تنها بر رقابت فناوری بین چین و ایالات متحده تأثیر می‌گذارد، بلکه می‌تواند تحولات بزرگی در صنایع الکترونیک و ارتباطات جهانی ایجاد کند.