Elektronika bazująca na azotku galu (GaN) może być znacznie bardziej odporna na powstawanie defektów radiacyjnych, niż rozwiązania wykorzystujące krzem. Czyni ją to dobrym kandydatem do zastosowania w ekstremalnych warunkach, np. w reaktorach jądrowych czy misjach kosmicznych. Aby lepiej zrozumieć zachowanie azotku galu pod wpływem promieniowania, zespół naukowców z Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Instytutu Wysokich Ciśnień PAN i Uniwersytetu w Lizbonie zbadał mechanizmy powstawania defektów w zależności od metody wytwarzania oraz polarności kryształów GaN.

Fundamentem współczesnej elektroniki jest krzem. Pierwiastek ten powszechnie występuje na Ziemi, a metody wytwarzania jego monokryształów opracowano już na początku XX wieku (m.in. metoda Czochralskiego). Rozwój elektroniki w ostatnich latach sprawił jednak, że fizycy i inżynierowie zaczęli poszukiwać innych materiałów półprzewodnikowych, których właściwości lepiej odpowiadają warunkom, w których będą pracować. Taką grupą okazały się azotki-III, a zwłaszcza azotek galu (GaN). Jako półprzewodnik może on rywalizować z krzemem, a jego szczególne właściwości sprawiają, że spisuje się wyjątkowo dobrze w elektronice wysokich mocy oraz wysokich częstotliwości, np. w podzespołach urządzeń mikrofalowych, sensorach promieniowania czy diodach LED.

Kluczową własnością GaN jest wysoka odporność na powstawanie defektów pod wpływem działania promieniowania jonizującego. Dzięki temu materiał ten może być używany w bardzo trudnych warunkach, takich jak nowoczesne reaktory jądrowe, akceleratory, czy misje kosmiczne. Jednak aby zapewnić niezawodność działania takich podzespołów, zachowanie GaN w warunkach promieniowania musi być dokładnie poznane. Szczególną uwagę naukowców zwróciły różnice w odpowiedzi tego materiału na napromienianie, w zależności od tego, jaka metoda została użyta do produkcji kryształów azotku galu. Dodatkowo, niedawne prace wykazały, że orientacja kryształów GaN ma istotny wpływ na działanie gotowych podzespołów, co stanowi dodatkową zmienną podczas analiz.

Precyzyjnych badań formowania się i gromadzenia defektów w azotku galu bombardowanym jonami argonu podjęła się grupa naukowców pod przewodnictwem dr. Przemysława Jóźwika z Zakładu Syntezy i Charakteryzacji Materiałów w Narodowym Centrum Badań Jądrowych. Analizy prowadzono we współpracy ze specjalistami z Instytutu Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk oraz Instytutu Plazmy i Fuzji Jądrowej Uniwersytetu w Lizbonie. Wyniki opublikowano właśnie w prestiżowym czasopiśmie New Journal of Physics.

W swojej pracy naukowcy wzięli pod uwagę zarówno metodę wytwarzania materiału, jak i polarność (orientację) kryształów. Analizy łączyły metody eksperymentalne (spektrometria z rozpraszaniem wstecznym w trybie kanałowania, RBS/C) oraz modelowanie komputerowe z wykorzystaniem opracowanego w NCBJ oprogramowania McChasy.

– Badania pokazują, że struktura i sposób wytworzenia GaN silnie wpływają na rodzaj i tempo powstawania defektów: od punktowych zaburzeń sieci po pętle dyslokacyjne. W przypadku materiałów o różnej polarności obserwujemy także wyraźne różnice w poziomie zniszczeń, szczególnie dla kryształów wytwarzanych metodą epitaksjalną HVPE – wyjaśnia dr Przemysław Jóźwik z NCBJ, pierwszy autor pracy.

Z badań wynika, że GaN otrzymany metodą amonotermalną (krystalizacja z roztworu amoniaku przy wysokiej temperaturze i ciśnieniu) osiąga nawet 100-krotnie mniejszą gęstość dyslokacji, jednak jest znacznie bardziej podatny na powstawanie defektów. Analizy dla różnych dawek wiązki argonu wskazują także, że niezależnie od metody wytwarzania, na pewnym poziomie następuje transformacja defektów.

Dalsze prace pozwolą dokładnie ustalić, jaki wpływ na gromadzenie defektów ma intensywność działającego promieniowania. Dodatkowo, autorzy planują zbadać zachowanie defektów podczas wygrzewania podzespołów. Badania pozwolą lepiej zrozumieć mechanizmy działające na elektronikę bazującą na azotku galu, co zmniejszy ryzyko uszkodzeń elektroniki, która musi funkcjonować w ekstremalnych warunkach.

Wyniki badań są dostępne w publikacji: Przemysław Jóźwik et al,. Polarity and fabrication effects in Ar‐bombarded GaN, 2026, New J. Phys. 28 073501, DOI: https://doi.org/10.1088/1367-2630/ae8570