Группа ученых из Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL), Горной школы Колорадо и Национальной лаборатории Ок-Ридж совершила значительный прорыв в исследовании оптимальных материалов подложки для роста нитрида алюминия-галлия (AlₓGa₁₋ₓN). Это открытие может существенно повысить энергоэффективность силовой электроники, что критически важно для удовлетворения растущих глобальных потребностей в электроэнергии.
Исследование, возглавляемое Деннис Робертс, специалистом по материаловедению из NREL, было опубликовано в журнале PRX Energy под названием "Designing TaC Virtual Substrates for Vertical AlₓGa₁₋ₓN Power Electronics Devices". Параллельно с этим научные сотрудники NREL Шарад Махатара и Стефан Лани представили вторую работу "Heterostructural Interface Engineering for Ultrawide-Gap Nitrides From First Principles: TaC/AlN and TaC/GaN Rocksalt-Wurtzite Interfaces" в журнале Physical Review Applied.
Ключевым достижением стало выявление карбида тантала (TaC) как идеального субстрата для эпитаксиального роста AlₓGa₁₋ₓN. Широкозонные материалы, такие как AlₓGa₁₋ₓN, способны обрабатывать большую мощность при одновременном снижении электрических и тепловых потерь, но их эффективное использование требует соответствия кристаллических решеток с подложкой. Традиционно рост AlₓGa₁₋ₓN на подложках с несоответствием решетки приводит к образованию дислокаций — линейных дефектов, которые ухудшают характеристики устройств.
Исследователи обнаружили, что TaC обладает тремя ключевыми преимуществами: близким соответствием решетки с AlₓGa₁₋ₓN, высокой проводимостью и согласованным тепловым расширением при изменении температуры. Это делает его перспективным материалом для создания высокоэффективных электронных компонентов.
Методология исследования включала использование радиочастотного распыления для нанесения TaC на подложки с последующим высокотемпературным отжигом для повышения пластичности и уменьшения дефектов. Ученые также разработали компьютерный код с алгоритмом для перечисления возможных последовательностей укладки и использовали расчеты теории функционала плотности из первых принципов для определения наиболее стабильных атомных структур. Это позволило предсказать благоприятные комбинации при различных условиях экспериментального синтеза.
Одной из сложностей, которую удалось преодолеть, было формирование интерфейса между материалами с кристаллической структурой типа каменной соли (TaC) и вюрцита (AlₓGa₁₋ₓN). Традиционные подложки, такие как AlN и GaN, часто приводят к растрескиванию и другим дефектам из-за несоответствия решеток, что значительно ограничивает производительность устройств.
Результаты исследования могут направлять экспериментаторов в регулировании полярности азота против металлической полярности нитридных пленок, что является критическим фактором для контроля свойств материала. Это особенно важно, учитывая, что подложки с соответствующей кристаллической структурой и параметрами решетки часто недоступны.
Значимость этих открытий выходит далеко за рамки лаборатории. Широкозонные материалы позволяют создавать более компактные, быстрые, надежные и энергоэффективные компоненты силовой электроники. Это может привести к повышению эффективности электросетей, их стабильности, интеграции и устойчивости для всех источников энергии, что критически важно для электрифицированного будущего.
Данное исследование представляет собой значительный шаг вперед в инженерии субстратов, открывая новые возможности для разработки высокоэффективных устройств силовой электроники, которые будут играть ключевую роль в удовлетворении растущих глобальных потребностей в электроэнергии.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследование, возглавляемое Деннис Робертс, специалистом по материаловедению из NREL, было опубликовано в журнале PRX Energy под названием "Designing TaC Virtual Substrates for Vertical AlₓGa₁₋ₓN Power Electronics Devices". Параллельно с этим научные сотрудники NREL Шарад Махатара и Стефан Лани представили вторую работу "Heterostructural Interface Engineering for Ultrawide-Gap Nitrides From First Principles: TaC/AlN and TaC/GaN Rocksalt-Wurtzite Interfaces" в журнале Physical Review Applied.
Ключевым достижением стало выявление карбида тантала (TaC) как идеального субстрата для эпитаксиального роста AlₓGa₁₋ₓN. Широкозонные материалы, такие как AlₓGa₁₋ₓN, способны обрабатывать большую мощность при одновременном снижении электрических и тепловых потерь, но их эффективное использование требует соответствия кристаллических решеток с подложкой. Традиционно рост AlₓGa₁₋ₓN на подложках с несоответствием решетки приводит к образованию дислокаций — линейных дефектов, которые ухудшают характеристики устройств.
Исследователи обнаружили, что TaC обладает тремя ключевыми преимуществами: близким соответствием решетки с AlₓGa₁₋ₓN, высокой проводимостью и согласованным тепловым расширением при изменении температуры. Это делает его перспективным материалом для создания высокоэффективных электронных компонентов.
Методология исследования включала использование радиочастотного распыления для нанесения TaC на подложки с последующим высокотемпературным отжигом для повышения пластичности и уменьшения дефектов. Ученые также разработали компьютерный код с алгоритмом для перечисления возможных последовательностей укладки и использовали расчеты теории функционала плотности из первых принципов для определения наиболее стабильных атомных структур. Это позволило предсказать благоприятные комбинации при различных условиях экспериментального синтеза.
Одной из сложностей, которую удалось преодолеть, было формирование интерфейса между материалами с кристаллической структурой типа каменной соли (TaC) и вюрцита (AlₓGa₁₋ₓN). Традиционные подложки, такие как AlN и GaN, часто приводят к растрескиванию и другим дефектам из-за несоответствия решеток, что значительно ограничивает производительность устройств.
Результаты исследования могут направлять экспериментаторов в регулировании полярности азота против металлической полярности нитридных пленок, что является критическим фактором для контроля свойств материала. Это особенно важно, учитывая, что подложки с соответствующей кристаллической структурой и параметрами решетки часто недоступны.
Значимость этих открытий выходит далеко за рамки лаборатории. Широкозонные материалы позволяют создавать более компактные, быстрые, надежные и энергоэффективные компоненты силовой электроники. Это может привести к повышению эффективности электросетей, их стабильности, интеграции и устойчивости для всех источников энергии, что критически важно для электрифицированного будущего.
Данное исследование представляет собой значительный шаг вперед в инженерии субстратов, открывая новые возможности для разработки высокоэффективных устройств силовой электроники, которые будут играть ключевую роль в удовлетворении растущих глобальных потребностей в электроэнергии.
