טיפול תרמי של מגנזיום מתכתי על מוליכים למחצה גליום ניטריד מביא להיווצרות מבנה סריג-על ייחודי. אטומי מגנזיום, חנקן וגליום מוצגים בכתום, כחול ואפור, בהתאמה. קרדיט: ג'יה וואנג
מחקר חדש גילה מבנה סריג-על חדש בגליום ניטריד (GaN) באמצעות מגנזיום (Mg), המבטיח התקדמות בביצועי מוליכים למחצה.
מחקר חדש חשף מבנה סריג-על חדש בגליום ניטריד (GaN) על ידי שילובו עם מגנזיום (Mg), העלול לשפר התקני מוליכים למחצה מבוססי GaN ולקדם את תחום הנדסת המתח האלסטי.
מחקר בראשות אוניברסיטת נאגויה ביפן גילה כי תגובה תרמית פשוטה של גליום ניטריד (GaN) עם מגנזיום מתכתי (Mg) גורמת להיווצרות מבנה סריג-על ייחודי. זה מייצג את הפעם הראשונה שחוקרים זיהו את החדרת שכבות מתכת דו-ממדיות לתוך מוליך למחצה בתפזורת.
על ידי התבוננות קפדנית בחומרים באמצעות טכניקות אפיון חדישות שונות, החוקרים חשפו תובנות חדשות לגבי תהליך סימום מוליכים למחצה והנדסת מתח אלסטי. הם פרסמו את ממצאיהם בכתב העת טֶבַע.
GaN הוא חומר מוליך למחצה רחב פס רחב אשר מוכן להחליף סיליקון מסורתי מוליכים למחצה ביישומים הדורשים צפיפות הספק גבוהה יותר ותדרי פעולה מהירים יותר. המאפיינים הייחודיים הללו של GaN הופכים אותו לבעל ערך במכשירים כגון נוריות LED, דיודות לייזר ואלקטרוניקה כוח – כולל רכיבים קריטיים בכלי רכב חשמליים ומטענים מהירים. הביצועים המשופרים של מכשירים מבוססי GaN תורמים למימושה של חברה חוסכת אנרגיה ועתיד נייטרלי פחמן.
הבנת מוליכות חשמלית במוליכים למחצה
במוליכים למחצה, ישנם שני סוגים חיוניים ומשלימים של מוליכות חשמלית: סוג p וסוג n. המוליך למחצה מסוג p כולל בעיקר נשאים חופשיים הנושאים מטענים חיוביים, המכונים חורים, ואילו המוליך למחצה מסוג n מוליך חשמל דרך אלקטרונים חופשיים.
מוליך למחצה רוכש מוליכות מסוג p או מסוג n באמצעות תהליך הנקרא סימום, המתייחס להחדרה מכוונת של זיהומים ספציפיים (הידועים בשם דופנטים) לחומר מוליך למחצה טהור כדי לשנות במידה רבה את התכונות החשמליות והאופטיות שלו.
בתחום מוליכים למחצה GaN, Mg הוא האלמנט הידוע היחיד שיוצר מוליכות מסוג p עד כה. למרות 35 שנים מאז ההצלחה הראשונה של סימום Mg לתוך GaN, המנגנונים המלאים של סימום Mg ב-GaN, במיוחד מגבלת המסיסות והתנהגות ההפרדה של Mg, נותרו לא ברורים. חוסר הוודאות הזה מגביל את האופטימיזציה שלהם עבור אופטו-אלקטרוניקה ואלקטרוניקה.
ניסויים ותצפיות
כדי לשפר את המוליכות של GaN מסוג p, ג'יה וואנג, הכותב הראשון של המחקר, ועמיתיו ערכו ניסוי שבו הדגימו סרטי Mg מתכתיים דקים שהושקעו על פרוסות GaN וחיממו אותם בטמפרטורה גבוהה – תהליך קונבנציונלי המכונה חישול.
באמצעות הדמיה מתקדמת של מיקרוסקופ אלקטרונים, המדענים צפו בהיווצרות ספונטנית של סריג-על הכולל שכבות מתחלפות של GaN ו-Mg. זה יוצא דופן במיוחד שכן GaN ו-Mg הם שני סוגים של חומרים עם הבדלים משמעותיים בתכונות הפיזיקליות שלהם.
"למרות ש-GaN הוא מוליך למחצה רחב פס עם קשר יוני וקולנטי מעורב, ומג היא מתכת הכוללת קשר מתכתי, לשני החומרים השונים הללו יש מבנה גבישי זהה, וזה צירוף מקרים טבעי להפליא שההבדל בין הסריג בין GaN המשושה לבין Mg משושה קטן באופן זניח", אמר וואנג. "אנחנו חושבים שהתאמה המושלמת בין GaN ל-Mg מפחיתה מאוד את האנרגיה הדרושה ליצירת המבנה, וממלאת תפקיד קריטי בהיווצרות ספונטנית של סריג-על כזה."
החוקרים קבעו שהתנהגות האינטרקלציה הייחודית הזו, שאותה כינו אינטרקלציה אינטרסטיציאלית, מובילה למתח דחיסה לחומר המארח. באופן ספציפי, הם גילו שה-GaN המוכנס עם שכבות Mg מחזיק במתח גבוה של יותר מ-20 GPa, שווה ערך ללחץ אטמוספרי פי 200,000, מה שהופך אותו למתח הדחיסה הגבוה ביותר שנרשם אי פעם בחומר סרט דק. זה הרבה יותר ממתחי הלחיצה הנפוץ בסרטי סיליקון (בטווח של 0.1 עד 2 GPa). סרטים דקים אלקטרוניים יכולים לעבור שינויים משמעותיים בתכונות האלקטרוניות והמגנטיות בגלל המתח הזה. החוקרים מצאו שהמוליכות החשמלית ב-GaN דרך הובלת חורים גדלה באופן משמעותי לאורך הכיוון המתוח.
"באמצעות גישה כל כך פשוטה ובעלות נמוכה, הצלחנו לשפר את ההובלה של חורים ב-GaN, שמוליך יותר זרם", אמר וואנג. "ממצא מעניין זה באינטראקציות בין מוליך למחצה למתכת עשוי לספק תובנות חדשות לגבי סימום מוליכים למחצה ולשפר את הביצועים של מכשירים מבוססי GaN."
אוניברסיטת נגויה ו-GAN
העובדה שהמחקר הזה התקיים ב אוניברסיטת נגויה מתאים, בהתחשב במוניטין שלה כ"ערש טכנולוגיית GaN". Hiroshi Amano, המחבר המקביל של המחקר הנוכחי, ואיסאמו אקסאקי מאוניברסיטת נגויה פיתחו את נוריות ה-LED הראשונות עם אור כחול בסוף שנות ה-80, תוך שימוש ב-Mg מסומם ב-GaN. תרומותיהם, שעליהן קיבלו את פרס נובל לפיזיקה ב-2014, מילאו תפקיד חשוב ביצירת חברה יעילה יותר באנרגיה.
"הגילוי של מבני סריג-על של GaN המשולבים ב-Mg וזיהוי המנגנון החדש של סימום 2D-Mg מציעים הזדמנות שהרוויחה קשה לכבד את ההישגים החלוציים בתחום מחקר מוליכים למחצה של III-nitrid", אמר וואנג. לאחר שקידמה את הטכנולוגיה 10 שנים לאחר פרס נובל, וואנג התייחס לממצא בזמן זה כ"מתנה אמיתית של הטבע" שעלול לפתוח אפיקים חדשים ולעורר השראה למחקר בסיסי יותר בתחום זה.
סוכנות המדע והטכנולוגיה של יפן תמכה במחקר באמצעות תוכנית ASPIRE ומענקים של תוכנית AdCORP. פרויקט זה זכה גם לתמיכה ממשרד החינוך, התרבות, הספורט, המדע והטכנולוגיה של יפן, משרד הכלכלה, המסחר והתעשייה והחברה היפנית לקידום המדע.
