Znajdź zawartość

Polska firma Ammono została laureatem nagrody Compound Semiconductor Industry Awards 2012. Przedsiębiorstwo wyróżniono za najbardziej przełomowy produkt półprzewodnikowy. Warszawska firma produkuje najdoskonalsze na świecie kryształy azotku galu. Kryształy te są niezbędne w przemyśle optoelektronicznym, pozwalają na tworzenie doskonalszych układów elektrycznych do samochodów hybrydowych czy w końcu dają nadzieję na stworzenie lepszych diod LED. Największe firmy i ośrodki naukowe z Japonii, Korei, Europy czy Stanów Zjednoczonych pracują nad uzyskaniem dużych, czystych kryształów azotku galu. Wyprzedziła je warszawska firma założona w 1992 roku przez czterech pracowników naukowych Uniwersytetu Warszawskiego. Więcej o Ammono można przeczytać w naszej informacji z 2010 roku.

Prace naukowców z Purdue University dają nadzieję na upowszechnienie się diod LED na rynku. Diody te są znacznie bardziej wydajne, energooszczędne i trwałe niż obecnie używane żarówki oraz świetlówki. Ich główną wadą jest zaś wielokrotnie wyższa cena. Tradycyjne LED-y wykorzystują szafir, który znacząco podnosi ich koszty. Uczonym z Purdue właśnie udało się zastąpić go krzemem. W szafirowych diodach materiałem emitującym światło jest azotek galu. Ponadto diody te korzystają z systemu luster, które obija światło tak, by nie było tracone. Te trzy elementy: szafir, azotek galu i lustra powodują, że diody są około 20-krotnie droższe od żarówek. Dotychczas nie udawało się zastąpić szafiru tańszym krzemem, ponieważ nie wiedziano, jak pokryć krzem odpowiedniej jakości metaliczną powłoką odbijającą światło. Amerykańscy naukowcy wykorzystali do tego celu azotek cyrkonu. Związek ten jest jednak niestabilny w obecności krzemu i reaguje z nim. Problem rozwiązano umieszczając na krzemie izolującą warstwę azotku glinu. Uczeni w komorze próżniowej bombardowali cyrkon i glin pozytywnie naładowanymi jonami argonu. Atomy metali były wybijane przez jony argonu i wchodziły w reakcję ze znajdującym się w komorze azotem. W wyniku tego procesu na krzemie odkładał się azotek glinu i azotek cyrkonu. Następnie w temperaturze około 1000 stopni Celsjusza za pomocą techniki epitaksji z fazy parowej dodano azotek galu. Znajdujące się na krzemie azotki cyrkonu, glinu i galu utworzyły krystaliczną strukturę, odpowiednią do produkcji diod LED. Dodatkową zaletą nowej technologii, oprócz znacznego obniżenia kosztów, jest fakt, iż krzem lepiej niż szafir rozprasza ciepło, co powinno skutkować zwiększoną żywotnością diod krzemowych. A ta może sięgać być może nawet 15 lat. Jeśli zastąpimy obecne żarówki diodami, możemy zaoszczędzić aż 30% energii zużywanej na oświetlanie. Oznacza to 10-procentową oszczędność w poborze energii w ogóle i odpowiednią redukcję emisji węgla do atmosfery - mówi profesor Timothy Sands. Informuje przy tym, że obecnie wydajność żarówek wynosi zaledwie 10%, a więc aż 90% pobieranej energii zamieniają one na ciepło, a nie na światło. Na rynku już teraz obecne są diody LED, których wydajność sięga 64 procent. Kosztują one jednak około 100 dolarów. Badania naukowców z Purdue powinny pozwolić na obniżenie ceny tego typu urządzeń do około 5 USD. Sands wierzy, że nowe diody trafia na rynek w ciągu 2 lat. Naukowcy muszą się jeszcze nauczyć, jak zmniejszyć liczbę wad fabrycznych oraz w jaki sposób zapobiec niszczeniu się warstwy azotku galu podczas schładzania plastrów krzemowych.

Dziurawe może być lepsze - tak można podsumować nową technologię produkcji świecących diod, opracowaną przez akademickich inżynierów. Dzięki niej popularne LEDy mogą się stać nawet dwa razy wydajniejsze. Produkowane diody oparte są o cienkie błony z azotku galu (GaN), które są odpowiedzialne za powstawanie światła. Ich jasność jednak mocno zależy od doskonałości krystalicznej struktury azotku galu, nieuniknione defekty (czyli przesunięcia) sieci krystalicznej powodują znaczący spadek jasności. Dlatego w wielu laboratoriach toczą się badania nad produkcją doskonalszych kryształów. Salah Bedair i Nadia El-Masry z North Carolina State University uporali się z nimi w prostszy sposób. W błonie z GaN o grubości dwóch mikrometrów umieścili duże (w tej skali) puste przestrzenie o długości dwóch mikrometrów i średnicy ćwierć mikrometra. Wypełniały one połowę grubości błony. Defekty sieci krystalicznej wędrują zawsze do góry, aż do powierzchni błony, rzutując na jej sprawność. Jednak w tak przygotowanej błonie defekty zatrzymywały się w warstwie pustych przestrzeni, które działały jak pułapki. Dzięki temu do powierzchni docierało znacznie mniej defektów. W ten sposób ilość defektów na centymetrze kwadratowym błony spadła ze (średnio) 1010 do 107. Wprowadzenie pomysłu do masowego zastosowania będzie wymagało dodatkowego kroku technologicznego, ale pozwoli na zmniejszenie ilości defektów o dwa do trzech rzędów wielkości, co przełoży się nawet na dwukrotnie większą jasność przy tym samym poborze prądu - zwłaszcza w przypadku diod niskonapięciowych i świecących w ultrafiolecie.

Szerzej nieznana polska firma pokonała światowych gigantów w wyścigu po technologię przyszłości. Warszawska Ammono produkuje najdoskonalsze kryształy azotku galu. Kryształy te są niezbędne w przemyśle optoelektronicznym, pozwalają na tworzenie doskonalszych układów elektrycznych do samochodów hybrydowych czy w końcu dają nadzieję na stworzenie lepszych diod LED. Największe firmy i ośrodki naukowe z Japonii, Korei, Europy czy Stanów Zjednoczonych pracują nad uzyskaniem dużych, czystych kryształów azotku galu. Wyprzedziła je warszawska firma założona w 1992 roku przez czterech pracowników naukowych Uniwersytetu Warszawskiego. Przez lata udoskonalali proces produkcyjny. Rozpoczynali od niewielkich dość mocno zanieczyszczonych kryształów, które przypominały gruboziarnistą sól. Teraz produkują prawdziwe giganty - niezwykle czyste kryształy, których najdłuższy bok mierzy 51 milimetrów. W ciągu najbliższych kilkunastu miesięcy Ammono będzie miało ich tyle, że rozpocznie cięcie kryształów na plastry i układanie z nich okrągłych substratów na których będą umieszczane półprzewodniki. Oczywiście można powiedzieć, że 51 milimetrów to niewiele. Pamiętajmy jednak, że jest to zaledwie sześciokrotnie mniej niż średnica znacznie łatwiejszych w produkcji plastrów krzemowych używanych w najnowocześniejszych fabrykach półprzewodników. Rynek na substraty z azotku galu jest już w tej chwili wart ponad 100 milionów dolarów rocznie i rośnie niezwykle szybko. Przed Ammono rysują się świetne perspektywy. Jeśli uda się zwiększyć wielkość kryształów do 100 milimetrów, pracami polskiej firmy na poważnie zainteresują się producenci układów scalonych. Azotek galu ma bowiem kilka interesujących właściwości, wykraczających poza zastosowania w optyce. Jest on na przykład dużo lepszym przewodnikiem ciepła niż krzem. Przyda się zatem w układach zasilania dla samochodów hybrydowych, w których, dzięki zastosowaniu azotku galu można by zrezygnować z osobnego systemu chłodzenia. To uprościłoby budowę i zmniejszyło koszty takich pojazdów. Analityk Philippe Roussel z firmy Yole Developement ocenia, że światowe zapotrzebowanie na 100-milimetrowe plastry azotku galu wyniesie w 2015 roku 800 000 sztuk. Firmę Ammono założyli Robert Dwiliński (jej obecny prezes), Leszek Sierzputowski, Roman Doradziński oraz Jerzy Garczyński. Dwiliński już na studiach zainteresował się możliwością (wówczas czysto teoretyczną) produkcji dużych kryształów azotku galu. Do dzisiaj większość substratów półprzewodnikowych tworzy się za pomocą metody opracowanej w 1916 roku przez Jana Czochralskiego. Problem z azotkiem galu polega na tym, że nie poddaje się on temu tradycyjnemu procesowi. Aby go pomyślnie przeprowadzić konieczna jest temperatura co najmniej 2225 stopni Celsjusza i ciśnienie 64 000 atmosfer. To warunki niezwykle trudne do uzyskania. Dwiliński zaczął szukać prostszego sposobu produkcji kryształów. O pomoc poprosił swoich kolegów, Leszka Sierzputowskiego, eksperta specjalizującego się w procesach chemicznych oraz Romana Doradzińskiego, specjalisty ds. obliczeń termodynamicznych. Doradziński wciągnął do wspólnego interesu Jerzego Garczyńskiego, specjalizującego się w procesach wzrostu w warunkach wysokiego ciśnienia. Polscy naukowcy nawiązali współpracę z japońską Nichią. Wspólnie zaczęli udoskonalać procesy i narzędzia, i w końcu na początku bieżącego stulecia - data trzymana jest w tajemnicy - wyprodukowali pierwszy 25-milimetrowy kryształ. Dzisiaj Ammono to wciąż niewielki gracz na niszowym rynku. Jednak już stał się na nim znany dzięki temu, że w swojej ofercie ma najdoskonalsze na świecie kryształy o długości 25 i 38 milimetrów. Teraz firmie udało się stworzyć 51-milimetrowe kryształy. To najmniejszy rozmiar pasujący do linii produkcyjnych laserów. Jednocześnie dopiero takie kryształy są kwalifikowane jako materiał, z którego można wytwarzać lasery. Oczywiście pod warunkiem, że są one odpowiedniej jakości. Ammono musi teraz przekonać potencjalnych klientów, że ich kryształy są lepsze i tańsze od tego, co używają obecnie. Stawka jest niezwykle wysoka. Pojedynczy kryształ nadający się do produkcji laserów kosztuje nawet 5000 dolarów. Ammono już teraz jest w stanie podczas jednego przebiegu wyprodukować ponad 70 takich kryształów. Dzięki opracowanemu przez firmę procesowi już teraz jest ona spełnić wymagania przemysłu, który jest gotów płacić 1000 USD za 51-milimetrowy kryształ GaN. Co więcej Dwiliński mówi, że w dłuższym terminie cena ta może spaść do poziomu arsenku galu, którego 4-calowe substraty są sprzedawane za 200 USD.

Badacze z laboratoriów Fujitsu w Kawasaki informują, że dzięki zastąpieniu tranzystorów krzemowych ich odpowiednikami z azotku galu (GaN) w konwerterach prądu zmiennego i stałego można aż o 30% zmniejszyć straty w przetwornicy. Ponadto azotek galu sprawuje się przy wyższych częstotliwościach znacznie lepiej od krzemu. To z kolei oznacza, że zasilacze do laptopów mogłyby stać się na tyle małe, iż uda się je wbudować w komputer. Już w 2011 roku na rynek mogą trafić urządzenia 10-krotnie mniejsze niż obecnie. Użytkownikowi wystarczyłby więc zwykły kabel i nie musiałby nosić ze sobą oryginalnego kabla z zasilaczem. Inżynierowie Fujitsu pracują obecnie nad skonstruowaniem zasilaczy z tranzystorami GaN, które zostaną zastosowane w centrach bazodanowych. Zdaniem Japończyków pozwoli to na 12-procentową redukcję zużycia energii w tego typu instalacjach.

Naukowcy z Cambridge University opracowali nowy sposób produkcji LED, dzięki któremu dziesięciokrotnie potanieją diody zapewniające olbrzymie oszczędności energii i mogące służyć przez kilkadziesiąt lat. Mowa tutaj o diodach, w których wykorzystano azotek galu (GaN), sztucznie uzyskiwany półprzewodnik, zapewniający jasne światło przy niewielkim zużyciu energii. Diody te pozwalają obniżyć rachunki za oświetlanie o 75% w ciągu 5 lat. Nowe diody świecą przez 100 000 godzin. Jeśli zatem średnio będziemy zapalali je na 4,5 godziny w ciągu doby, to wystarczą na... 60 lat. Tego typu diody mogą w końcu trafić do naszych domów, gdyż uczeni z Cambridge opracowali nową metodę produkcji azotku galu. Zamiast, jak się to robi obecnie, hodować go na szafirze, wykorzystali oni krzemowe plastry. Cena jednej diody produkowanej nową techniką nie przekraczałaby 3 dolarów. Naukowcy wyliczają, że gdyby zastosować diody GaN LED w każdym domu i biurze Wielkiej Brytanii, to energia potrzebna na oświetlenie nie stanowiłaby 20%, a 5% całości energii zużywanej w Zjednoczonym Królestwie. Oszczędności byłyby równe wyłączeniu 8 elektrowni. Kolejne zalety GaN LED to natychmiastowe osiąganie przez nie maksymalnej jasności oraz możliwość stosowania ściemniaczy światła. Diody GaN już pracują. Wykorzystano je do oświetlenia Pałacu Buckingham oraz Clifton Suspension Bridge. Zaczynają pojawiać się w lampach błyskowych aparatów, telefonach komórkowych, światłach do rowerów, w oświetleniu autobusów czy samolotów. Ponadto światło ultrafioletowe emitowane przez GaN LED pomaga w oczyszczaniu wody i działa bakteriobójczo w szpitalach. Teraz mogą trafić też do naszych domów.