Wynalazek polskich naukowców zrewolucjonizuje elektronikę. Azotek galu może być następcą krzemu, znajdzie też zastosowanie w fotowoltaice

Azotek galu, którego technologię wytwarzania opracowali polscy naukowcy pod koniec XX wieku, może się okazać następcą krzemu. Tranzystory wykonane z tego półprzewodnika są kilkunastokrotnie mniejsze i są w stanie przenosić większe ładunki energii. Z ich wykorzystaniem firma Xiaomi stworzyła już miniaturową ładowarkę o mocy 65 W. Potencjalnie półprzewodnik ten może znaleźć zastosowanie również w fotowoltaice, a nawet w mikrochipach komunikujących się z układem nerwowym człowieka.

– Azotek galu poczynił rewolucyjne zmiany w naszej cywilizacji poprzez zmianę systemu oświetlenia. Otaczają nas diody świecące LED, z których każda składa się z azotku galu. Ma on jeszcze szereg innych zalet, które mogą się przydać w elektronice dużych mocy. W tej chwili zachodzi rewolucyjny proces w energetyce. Przechodzimy na odnawialne źródła energii i potrzebujemy mnóstwa elektronicznych układów, które potrafią sterować energią dużej mocy oraz przekształcać sygnały elektryczne, prądowe – wskazuje w rozmowie z agencją informacyjną Newseria Innowacje prof. dr hab. inż. Izabella Grzegory, dyrektor Instytutu Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk.

Półprzewodnik, jakim jest azotek galu, znalazł niedawno zastosowanie chociażby w superszybkich ładowarkach do smartfonów. W ubiegłym roku na rynku pojawiła się ładowarka Xiaomi o mocy 65 W. Zamiast tranzystorów krzemowych zostały w niej zastosowane tranzystory właśnie z azotku galu. Nie powstają  one w wyniku obróbki, lecz są w pewnym sensie hodowane, podobnie jak kryształ.

Grupa japońskich naukowców zbudowała już z wykorzystaniem azotku indu i azotku galu wszczepialny chip o objętości 1 mm³ i ciężarze 2,3 mg. Urządzenie może potencjalnie aktywować określone białka w mózgu i służyć zarówno opiece zdrowotnej – leczeniu chorób neurologicznych – jak również do kontrolowania urządzeń internetu rzeczy.

Technologię kryształów azotku galu oraz budowania z niego tranzystorów rozwijają także naukowcy z Instytutu Wysokich Ciśnień PAN. Komercjalizacja tej pierwszej zaplanowana jest na przełom 2022 i 2023 roku.

– Mamy pełny łańcuch technologiczny. Wykonujemy kryształy azotku galu po to, żeby móc na nich budować struktury przyrządów, zarówno optoelektronicznych, takich jak diody laserowe, jak również tranzystorów. Kryształy, które u nas w instytucie są wykonywane, należą do najlepszych na świecie. Mają bardzo mało defektów sieci krystalicznej, więc przyrządy czy struktury na nich budowane mają szereg zalet. Dodatkowo w naszych laboratoriach można przeprowadzić wiele pożytecznych operacji, np. wykonać przyrząd poprzez wbijanie z dużą energią jonów innych pierwiastków, krzemu czy magnezu, do sieci krystalicznej – tłumaczy prof. Izabella Grzegory.

Tak zwane domieszkowanie stosuje się po to, by mieć kontrolę nad urządzeniem wyposażonym w tranzystor wykonany z azotku galu. Z uwagi na to, że cechuje się on szeroką przerwą energetyczną, czysty półprzewodnik byłby cały czas aktywny. Domieszkowanie niszczy strukturę kryształów i żeby ją przywrócić, należy poddać materiał obróbce w warunkach wysokiego ciśnienia, w czym specjalizuje się instytut.

Jedną z głównych zalet azotku galu jest to, że stwarza możliwość wejścia na kolejny poziom miniaturyzacji. Zdaniem naukowców z MIT tranzystor wykonany z tego materiału może być nawet 15-krotnie mniejszy niż jego krzemowy odpowiednik.

– To nie są oczywiście jedyne zastosowania azotku galu. Jest on również niezwykle ważny w telekomunikacji, być może również w fotowoltaice, a także procesach takich jak rozszczepianie wody pod wpływem światła słonecznego, jednak są jeszcze na etapie badań naukowych – wymienia dyrektor Instytutu Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk. – Jego zastosowanie w optoelektronice, źródłach światła i elektronice dużych mocy jest już daleko zaawansowane aplikacyjnie. My też jesteśmy mocno zaangażowani w ten proces. Azotek galu jest wspaniałym materiałem, lecz bardzo trudnym technologicznie i ważny jest dostęp do pewnych technologii, by wydobyć wszystkie jego zalety – mówi dyrektor Instytutu Wysokich Ciśnień PAN.

Jak podkreśla, technologia kryształów rozwijana przez polskich naukowców jest obecnie na etapie linii pilotażowej. Komercjalizacja zaplanowana jest na przełomie 2022 i 2023 roku. Technologia tranzystorów dużych mocy rozwijana jest z kolei w projekcie TECHMATSTRATEG Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w konsorcjum z Siecią Łukasiewicz i z partnerami przemysłowymi.

– Pracujemy również w konsorcjum Horizon 2020 o nazwie GaN4AP i tam nasz instytut ma przyjemność kierować dużym pakietem zadań w celu otrzymywania optymalnych struktur do przyrządów elektronicznych dużej mocy na azotku galu – wskazuje prof. Izabella Grzegory.