Projekt získal finanční podporu v rámci 11. výzvy programu OPPK (Operační program Praha – Konkurenceschopnost) ve výši 46 miliónů korun a umožní vybudování špičkové technologické laboratoře pro přípravu a charakterizaci nitridových polovodičů a jejich nanoheterostruktur. Na budování laboratoře se bude finančně přímo podílet též Fyzikální ústav AV ČR, který projekt podpoří přibližně 4 milióny korun ze svého rozpočtu.

 

 

Proč jsou nitridové polovodiče a struktury na nich založené tak důležité? Nitridové polovodiče jsou dnes hned po křemíku druhým nejrozšířenějším polovodičovým materiálem, s jehož aplikacemi se v běžném životě každodenně setkáváme. Nalezneme je např. v barevných displejích mobilních telefonů i notebooků, v diodovém osvětlení, ve velkoplošných obrazovkách a LED televizích, neobešel by se bez nich současný automobilový průmysl a využívány jsou též v rozvodné soustavě, v jaderných elektrárnách nebo v kosmu, protože jsou odolné proti kosmickému záření. Nitridové součástky spolehlivě pracují také za vysokých teplot, takže u mnoha aplikací odpadá nutnost náročného chlazení. Nitridové struktury jsou vhodné také pro mikrovlnné aplikace, mobilní sítě a radary a jejich široké využití se předpokládá i v budoucnu. Výzkum i výroba nitridových polovodičů má proto pro společnost strategický význam.

 

 

Projekt LABONIT se snaží dohnat zpoždění, které česká věda v této oblasti získala. Podíváme-li se k našim sousedům, u žádného z nich tato technologie nechybí. Například v Německu pracuje hned několik desítek vědeckých nitridových laboratoří, v Polsku je jich přibližně deset a i na Slovensku mají s budováním podobné laboratoře roční předstih. Je to ostatně jeden z příkladů podfinancování české vědy. Bez dotací EU by navíc projekt vzhledem ke své finanční náročnosti nemohl být realizován.

 

A co si máme pod pojmem nitridový polovodič nebo nitridová heterostruktura vlastně představit? Nitridové polovodiče patří do skupiny sloučeninových polovodičů. Jsou to monokrystaly wurzitového typu, v nichž se kombinují atomy dusíku s atomy III. skupiny periodické tabulky - s atomy galia, hliníku nebo india. Kombinacemi atomů III. skupiny s dusíkem můžeme vytvořit celou škálu nitridových polovodičů s různými vlastnostmi, např. GaN, InN, AlGaN, InGaN atd. Vhodným vrstvením takových polovodičů pak vzniká funkční heterostruktura s požadovanými vlastnostmi. Pokud je některá vrstva tvořena jen několika atomovými rovinami, hovoříme o nanoheterostruktuře.

 

U nitridových polovodičů jsou vazby mezi atomy dusíku a atomy III. skupiny velice silné, a právě to způsobuje unikátní vlastnosti těchto polovodičů: jejich odolnost vůči vysokým teplotám, ionizujícímu záření, mohou se používat pro vysokovýkonné součástky a vyzařují kratší vlnové délky než dříve používané polovodiče. Silná vazba mezi atomy však také znesnadňuje jejich přípravu. Aby mohl mít materiál požadované polovodivé vlastnosti, musí být monokrystalický a kvalitní. Na přípravu monokrystalických heterostuktur je potřebná monokrystalická podložka z vhodného, nejlépe stejného, materiálu. Kvalitní a dostatečně velké nitridové podložky však doposud ve světě nikdo vyrobit neumí, i když na tomto úkolu pracuje několik světových laboratoří. Je to podobný problém, jako vyrobit velký kvalitní diamant, který má také silné vazby mezi uhlíkovými atomy. Nitridové polovodiče se proto deponují na monokrystalických podložkách jiných materiálů (nejčastěji na safírových podložkách), čímž se zhoršuje kvalita připravených vrstev. Dlouho nebylo možné kvalitní heterostruktury připravovat. Změna nastala až na počátku devadesátých let, kdy se v Japonsku Hiroshi Amanovi a Isamu Akasakimu podařilo navázat kvalitní GaN vrstvu na safírové podložce pomocí AlN vrstvy připravené za nízké teploty. Tento nápad později umožnil firmě Nichia ohromné zisky a přivedl okamžitě nitridové polovodiče do centra vědeckého zájmu, což brzy přineslo řadu důležitých aplikací. Přes širokou škálu již existujících aplikací však výzkum nitridových struktur ještě zdaleka není u konce a zůstává v popředí světového vědeckého zájmu i nadále. Výzkum přináší nové výzvy, jakou je např. realizace zeleného nebo ultrafialového polovodičového laseru, je postupně zdokonalována kvalita struktur pro vysokovýkonové součástky a jsou nalézány další nové aplikace.

 

 

Do tohoto technologického výzkumu se zapojí i pracovníci nově budované laboratoře Fyzikálního ústavu, kteří mají s technologií epitaxe polovodičů z organokovových molekul mnohaletou praxi. Organokovová epitaxe je nejrozšířenější a doposud nejúspěšnější technologií přípravy nitridových polovodičových heterostruktur, je to však technologie poměrně složitá. Při nerovnovážném růstovém procesu je nutno kontrolovat a správně nastavit několik desítek parametrů. Ještě mnohem složitější je ale příprava kvalitních rozhraní mezi jednotlivými polovodiči v heterostruktuře a příprava kvantově rozměrných struktur jako jsou kvantové jámy a kvantové tečky. Zkušenosti a know-how, které tým MOVPE získal v předcházejících téměř dvaceti letech při přípravě polovodičových nanoheterostruktur, dávají záruku, že vložené prostředky budou v krátké době po zprovoznění laboratoře efektivně využity.

 

Vedle technologického výzkumu usnadní nová laboratoř také dalším vědecko-výzkumným týmům, studentům vysokých škol, ale i průmyslovým subjektům v České republice dostupnost nitridových heterostruktur. Projekt LABONIT tak umožní rozvoj vědy a výzkumu ve velice perspektivní oblasti. O vzorky nitridových heterostruktur má již nyní zájem řada akademických i univerzitních vědeckých týmů v České republice, například pro studium bazálních poruch v nitridových krystalech pomocí rentgenové difrakce, pro studium radiační odolnosti nitridů, v rámci Fyzikálního ústavu budou studovány vlastnosti povrchů nitridových krystalů se zaměřením na bioaplikace těchto krystalů a pracovníci Ústavu fotoniky a elektroniky zase mají zájem o vývoj kvalitních Schottkyho kontaktů pro nitridové polovodiče. Doposud si musely vědecké týmy obstarávat materiál pro tento výzkum v zahraničí. Očekává se, že možnost připravovat nitridové heterostruktury otevře nová témata spolupráce jak s českými, tak se zahraničními výzkumnými pracovišti.

 

Laboratoř rovněž významně přispěje ke spolupráci mezi vědeckým výzkumem a průmyslovými podniky v České republice. Zájem o spolupráci v této oblasti dokládají uzavřené smlouvy o partnerství se dvěma firmami, se kterými bude tým laboratoře spolupracovat při vývoji technologie pro vysokovýkonné nitridové součástky připravené na křemíkových substrátech nebo při vývoji rychlých nitridových scintilačních heterostruktur.

 

Budování nitridové laboratoře bude probíhat ve třech šestiměsíčních fázích. V první polovině letošního roku jsou vypisována výběrová řízení na přístroje a zařízení, ve druhé polovině roku bude nakoupena část přístrojového vybavení a zadání výroby technologické aparatury. V poslední fázi (první polovina roku 2015) nakonec dojde k dodání technologického vybavení, zkompletování jednotlivých zařízení do funkčního celku a zprovoznění celé laboratoře.

 

Laboratoř bude vybudována na základě nejnovějších poznatků ve vývoji technologie i optické charakterizace. Součásti projektu je také optická laboratoř vybavená kombinací Ramanova a luminiscenčního spektrometru s vysokým prostorovým a spektrálním rozlišením a optického konfokálního mikroskopu umožňujícím 2D a 3D zobrazování. Připravené nitridové nanoheterostruktury tak bude možné rychle a kvalitně diagnostikovat. První nitridové heterostruktury by měly být v laboratoři připraveny po jejím uvedení do provozu v polovině roku 2015.

 

 

Zdroj: Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i. (www.fzu.cz)