Materiały przeznaczone do układów elektronicznych pracujących w trudnych warunkach
Urządzenia i czujniki elektroniczne często muszą pracować w wysokiej temperaturze, przy wysokim ciśnieniu lub w silnie korozyjnym środowisku. Uczestnicy finansowanego z funduszy UE projektu MORGAN (Materials for robust gallium nitride) sprawdzili, jak można wykorzystać heterostruktury diamentu i azotku galu (GaN) do produkcji najlepszych materiałów odpornych na takie warunki. Partnerzy projektu opracowali innowacyjne podłoża kompozytowe na bazie diamentu i jako pierwsi w Europie zaprezentowali 2-calowe wafle z tego materiału. Następnie zbadali bezpośredni wzrost GaN na diamencie mono- i polikrystalicznym. W obu strukturach krystalicznych diamentu wykonano pułapki na dwuwymiarowy gaz elektronowy. Dzięki zastosowaniu wybranych warstw zgodnych i schematów zarodkowania lub warstw pośrednich kompensujących brak dopasowania struktury krystalicznej i rozszerzalności cieplnej, zespołowi MORGAN udało się osadzić GaN na różnych podłożach, takich jak szafir, węglik krzemu, krzem i kompozyt. Pozwoliło to w niedługim czasie zademonstrować pierwszy tranzystor HEMT (High-Electron-Mobility Transistor) powstały w wyniku bezpośredniego osadzenia heterostruktury GaN na diamencie monokrystalicznym. Tranzystor ten pracuje w zakresie mikrofalowym z częstotliwością graniczną wynoszącą 40 GHz. Naukowcom udało się również wytworzyć warstwy azotku glinu domieszkowanego indem/GaN na podłożach kompozytowych na bazie diamentu. Opracowali oni również czujniki wysokotemperaturowe/ciśnieniowe i elektrochemiczne wraz z obudowami. Czujniki te mogą pracować przy ciśnieniu do 80 bar i w temperaturze do 450°C, co zostało dowiedzione badaniami. Dodatkowo przedstawione czujniki elektrochemiczne charakteryzują się krótkim czasem reakcji. Nowo opracowane wytrzymałe obudowy czujnikowe, wykonane z materiałów ceramicznych ze złączami ze srebra, wytrzymują temperatury do 650°C. Zespół MORGAN zbudował też wydajne, trójwymiarowe, miedziane wymienniki ciepła, wykorzystując do tego technologię druku strumieniowego. Uzyskane wyniki zostały opublikowane w 27 artykułach i przedstawione na ponad 175 wykładach na ważnych wydarzeniach branżowych. Łącząc diament i azotek galu, uczestnicy projektu MORGAN dowiedli, że te dwa materiały mogą zostać wykorzystane do produkcji kompozytów i urządzeń odpornych na działanie skrajnych warunków roboczych, szczególnie na wysokie temperatury i silne pola elektryczne.
Słowa kluczowe
Urządzenia elektroniczne, czujniki, MORGAN, azotek galu, diament