Galliumnitridkristaller är ett lovande material för utvecklingen av nästa generations krafthalvledarenheter. NIMS och Tokyo Tech utvecklade en teknik för att odla högkvalitativa GaN-kristaller med betydligt färre defekter än de som odlats med befintliga tekniker. Till skillnad från konventionella tekniker där en kristall odlas direkt i en lösning, denna teknik använder ett substrat belagt med tunn-legeringsfilm som förhindrar oönskade inneslutningar av lösningen från att fångas in i den växande kristallen.

GaN-halvledare klarar starkare elektriska strömmar och högre spänningar än kiselhalvledare. Dessa fördelar har lett till intensiv forskning och utveckling på GaN för användning i nästa generations krafthalvledarenheter för användning i fordon och andra ändamål. Dock, konventionella GaN enkristalltillväxttekniker, där en gasformig råvara sprutas på ett substrat, har en grundläggande nackdel:de orsakar bildandet av många atomskaliga defekter (inklusive dislokationer) i kristallen. När GaN-kristaller med dislokationer integreras i kraftenheter, läckströmmen passerar genom enheterna och orsakar skador på dem. För att lösa detta problem, intensiva ansträngningar har gjorts för att utveckla två alternativa kristallsyntestekniker:den ammonotermiska metoden och natriumflödesmetoden. I båda metoderna, en kristall odlas i en lösning som innehåller råmaterial för kristalltillväxt. Medan Na-fluxmetoden har visat sig vara effektiv för att minimera bildandet av dislokationer, ett nytt problem har identifierats:en växande kristall innehåller inneslutningar (klumpar av lösningens beståndsdelar).

I detta projekt, forskarna odlade en GaN-kristall samtidigt som de successivt belade GaN-frösubstratet med en flytande legering bestående av råmaterial för kristalltillväxt (d.v.s. gallium och natrium), och förhindrar därigenom inneslutningar från att fångas in i den växande kristallen. Dessutom, denna teknik visade sig vara effektiv för att avsevärt minska bildandet av dislokationer, vilket resulterar i syntesen av högkvalitativa kristaller. Denna teknik möjliggör tillverkning av ett högkvalitativt GaN-substrat genom en mycket enkel process inom cirka en timme.

Tekniken de utvecklade kan erbjuda en ny metod för att producera högkvalitativa GaN-substrat för användning i nästa generations krafthalvledarenheter. Forskarna verifierar för närvarande dess effektivitet genom att odla små kristaller. I framtida studier, de planerar att utveckla den till en praktisk teknik som kommer att möjliggöra syntes av större kristaller.