Zamiast światła produkują ciepło. Mają rozwiązanie problem z LED-ami

Na pierwszy rzut oka kryształ azotku galu przypomina coś w rodzaju perfekcyjnie ułożonej mozaiki – każdy atom trafia dokładnie tam, gdzie powinien, a cały układ powtarza się z niemal matematyczną precyzją. To właśnie na tej pozornej idealności opiera się działanie diody LED. Problem w tym, że ta perfekcja istnieje głównie na schematach i w uproszczonych modelach.

Gdy tylko zajrzymy głębiej, w skalę, w której pojedyncze atomy przestają być abstrakcją, to w strukturze pojawiają się subtelne, ale znaczące zaburzenia – coś jak mikroskopijne pęknięcia w szkle albo źle zszyte fragmenty materiału. Te szwy i skręcenia potrafią przechwytywać energię, która powinna zostać zamieniona w światło. W efekcie dioda nadal pobiera prąd, ale część tej energii znika bez śladu, zamieniając się w ciepło zamiast w fotony.

Inżynierowie wiedzieli o tym od lat, ale brakowało im dobrego sposobu, by zobaczyć problem w pełnej skali. Dotychczasowe metody pozwalały albo zajrzeć bardzo dokładnie w maleńki fragment materiału, albo obejrzeć większy obszar kosztem szczegółów. Zespół z uniwersytetów w Liverpoolu i Strathclyde pokazał podejście, które łączy oba światy: pozwala jednocześnie wykrywać pojedyncze defekty, rozpoznawać ich typ i sprawdzać, jak wpływają na otaczający kryształ. I to na znacznie większym obszarze niż wcześniej.

Dioda LED zaczyna świecić, gdy elektrony i tzw. dziury spotykają się w jej warstwie aktywnej. W prawidłowym procesie ich rekombinacji towarzyszy emisja fotonu, czyli porcji światła.

Defekt może stworzyć konkurencyjną drogę. Elektron nadal łączy się z dziurą, ale energia nie zostaje wypromieniowana jako światło. Trafia do sieci krystalicznej, wprawiając ją w drgania i ostatecznie ogrzewając materiał. To właśnie rekombinacja bezpromienista. Z punktu widzenia użytkownika oznacza stratę: dioda zużywa energię elektryczną, ale nie zamienia jej w użyteczne światło.

Nie należy jednak wyobrażać sobie, że każda dyslokacja gasi identyczną liczbę fotonów. W diodach opartych na GaN i InGaN sytuacja jest bardziej skomplikowana. Nośniki ładunku mogą być lokalizowane z dala od niektórych wad, a część dyslokacji przechwytuje je skuteczniej niż inne. Szczególnie defekty zawierające składową śrubową mogą oddziaływać na większy obszar niż czyste dyslokacje krawędziowe.

Samo stwierdzenie w próbce jest dużo defektów nie wystarcza więc projektantowi LED-a. Potrzebuje on mapy pokazującej, gdzie są, jakiego są typu i jakie naprężenia powodują.

Najdokładniejszym narzędziem do oglądania wad w kryształach pozostaje transmisyjny mikroskop elektronowy, czyli TEM. To sprzęt, który potrafi zajrzeć niemal między pojedyncze atomy i pokazać ich ułożenie z imponującą precyzją. Problem w tym, że taka dokładność ma swoją cenę. I nie chodzi tylko o koszt samego urządzenia.

Zanim próbka trafi pod mikroskop, to trzeba ją przygotować w sposób przypominający chirurgiczną operację. Materiał musi zostać pocieniony do ekstremalnie cienkiej warstwy, często o grubości liczonych w dziesiątkach nanometrów, tak aby wiązka elektronów mogła przez niego przejść. To proces czasochłonny, wymagający specjalistycznego sprzętu i doświadczenia. Co gorsza, podczas takiego odchudzania próbki łatwo wprowadzić nowe uszkodzenia albo zmienić strukturę materiału, który chcemy przecież badać w stanie możliwie nienaruszonym.

A nawet jeśli wszystko pójdzie idealnie, TEM pokazuje tylko niewielki fragment całości. To trochę jak próba oceny jakości całej autostrady na podstawie jednego perfekcyjnie sfotografowanego kawałka asfaltu. Możemy zobaczyć każdy kamyk i każdą rysę, ale nadal nie mamy pewności, czy reszta drogi wygląda podobnie, czy może jest pełna dziur.

Właśnie dlatego badacze coraz częściej sięgają po inne podejście. Nowa metoda wykorzystuje skaningowy mikroskop elektronowy oraz technikę EBSD, czyli dyfrakcję elektronów wstecznie rozproszonych. Zamiast skupiać się na jednym mikroskopijnym wycinku, pozwala ona przeskanować znacznie większy obszar materiału bez konieczności przygotowywania ultracienkich próbek.

Owszem, nie zobaczymy tu pojedynczych atomów z taką samą ostrością jak w TEM. W zamian dostajemy jednak szeroki obraz sytuacji. Możliwość szybkiego tworzenia map pokazujących, gdzie w materiale pojawiają się naprężenia i defekty, jak są rozmieszczone i jak wpływają na strukturę całej warstwy. Dla inżynierów to często cenniejsze niż perfekcyjny, ale bardzo lokalny obraz, bo pozwala zrozumieć nie pojedynczy fragment, lecz zachowanie całego półprzewodnika.

Podczas badania próbka była ustawiona pod dużym kątem, a mikroskop kierował w nią wiązkę elektronów o energii 20 kV. Elektrony wnikały w materiał, zderzały się z atomami i część z nich wracała w stronę detektora. Nie tworzyły zwykłego zdjęcia powierzchni. Układały się w charakterystyczne wzory dyfrakcyjne, których kształt zależy od orientacji sieci krystalicznej.

Idealny kryształ dawałby niemal taki sam wzór w kolejnych punktach. Dyslokacja delikatnie obraca i odkształca otaczającą ją sieć, przez co wzór zaczyna się zmieniać. Różnice są minimalne, ale nowoczesny detektor i odpowiednie algorytmy potrafią je zmierzyć.

Badacze połączyli EBSD z metodą obliczeniową rozwiniętą przez geologa Johna Wheelera. Dzięki niej nie tylko zaznaczyli miejsca występowania defektów, lecz także odtworzyli lokalne obroty i naprężenia sieci. Pomiar obejmował warstwę sięgającą na głębokość około 20 nm. W pobliżu dyslokacji kryształ zmieniał orientację zaledwie o kilka miliradianów, a lokalne odkształcenie wynosiło około 0,001, czyli 0,1 proc. To wystarczyło, by algorytmy rozpoznały charakterystyczny ślad pojedynczej wady.

EBSD było już wcześniej używane do badania dyslokacji. Problem polegał na tym, że metoda dobrze wykrywała zbiorczy efekt dużej liczby wad, ale miała trudności z niezawodnym wskazaniem każdej z osobna. Badacze mogli zobaczyć, że kryształ jest lokalnie naprężony, lecz nie zawsze potrafili powiedzieć, która pojedyncza dyslokacja odpowiada za konkretny ślad.

Nowa praca pokazuje, że współczesne detektory, większa rozdzielczość i odpowiednia analiza danych pozwalają przejść od ogólnej mapy naprężeń do katalogu pojedynczych defektów. Co więcej, możliwe stało się rozróżnianie wad krawędziowych, śrubowych i mieszanych.

To może przyspieszyć analizę procesu produkcyjnego. Producent będzie w stanie porównać próbki wyhodowane przy różnych temperaturach, ciśnieniach i składzie gazów, a następnie sprawdzić nie tylko liczbę defektów, ale też ich rodzaj oraz rozmieszczenie. Zamiast czekać na wyniki żmudnej analizy kilku niewielkich fragmentów, dostanie znacznie szerszy obraz tego, co wydarzyło się podczas wzrostu całej warstwy.

Azotek galu jest trudnym materiałem. Wiele warstw GaN rośnie na podłożach wykonanych z innych substancji, najczęściej szafiru lub krzemu. Ich sieci krystaliczne nie pasują do siebie idealnie, podobnie jak 2 rodzaje klocków o nieznacznie przesuniętym rozstawie wypustek.

Rosnąca warstwa próbuje dopasować się do podłoża, ale gromadzi naprężenia. Część z nich zostaje rozładowana właśnie poprzez powstawanie dyslokacji. Można stosować warstwy buforowe, specjalne wzory podłoża i bardziej skomplikowane procesy wzrostu, aby ograniczać liczbę wad. Da się też hodować GaN na podłożu wykonanym z samego azotku galu, ale takie płytki są trudniejsze do wyprodukowania i kosztowniejsze.

Jak pisaliśmy w tekście: Fabryka w kosmosie właśnie ruszyła. Trudno uwierzyć, że to zrobili, niedoskonałości powstające podczas wzrostu kryształów są jednym z powodów, dla których firmy eksperymentują nawet z produkcją zaawansowanych materiałów w mikrograwitacji. Nowe badanie nie przenosi fabryki na orbitę. Daje za to znacznie lepszy sposób sprawdzania, co faktycznie wyrosło w ziemskim reaktorze.

Azotek galu kojarzy się z LED-ami, lecz jego zastosowania są znacznie szersze. Tranzystory GaN trafiają do małych, wydajnych ładowarek, przetwornic, infrastruktury telekomunikacyjnej i systemów radarowych. Materiał dobrze znosi wysokie napięcia i temperatury oraz pozwala budować szybszą elektronikę niż klasyczny krzem.

W każdym z tych urządzeń defekty mogą zmieniać parametry, zwiększać prądy upływu, skracać trwałość albo pogarszać niezawodność. Dokładne mapowanie dyslokacji może więc pomóc nie tylko producentom oświetlenia, lecz całej branży półprzewodników szerokoprzerwowych.

Przeczytaj także:

Jak pisaliśmy w tekście: Elektronika bez baterii będzie cudowna. Kryształ zamieni drgania w prąd, defekty materiału nie zawsze muszą być wrogiem. Czasem można je świadomie wykorzystać do uzyskania pożądanych właściwości. Najpierw trzeba jednak umieć je odnaleźć, sklasyfikować i zrozumieć ich wpływ.

Nowa metoda może zostać zastosowana także do innych kryształów, półprzewodników, stopów i minerałów. Dyslokacje wpływają bowiem nie tylko na przepływ prądu i emisję światła, ale również na wytrzymałość oraz sposób deformowania się materiałów.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI