Galliumnitridekristallen zijn een veelbelovend materiaal voor de ontwikkeling van vermogenshalfgeleiders van de volgende generatie. NIMS en de Tokyo Tech ontwikkelden een techniek voor het kweken van hoogwaardige GaN-kristallen met aanzienlijk minder defecten dan die welke met bestaande technieken zijn gekweekt. In tegenstelling tot conventionele technieken waarbij een kristal direct in een oplossing wordt gekweekt, deze techniek maakt gebruik van een substraat dat is gecoat met een dunne legeringsfilm die voorkomt dat ongewenste insluitingen van de oplossing in het groeiende kristal worden gevangen.

GaN-halfgeleiders zijn bestand tegen sterkere elektrische stromen en hogere spanningen dan siliciumhalfgeleiders. Deze voordelen hebben geleid tot intensieve R&D op GaN voor gebruik in vermogenshalfgeleiders van de volgende generatie voor gebruik in voertuigen en andere doeleinden. Echter, conventionele GaN-eenkristalgroeitechnieken, waarbij een gasvormige grondstof op een substraat wordt gespoten, hebben een fundamenteel nadeel:ze veroorzaken de vorming van veel defecten op atomaire schaal (inclusief dislocaties) in het kristal. Wanneer GaN-kristallen met dislocaties worden geïntegreerd in stroomapparaten, de lekstroom gaat door de apparaten en veroorzaakt schade. Om dit probleem aan te pakken, Er zijn intensieve inspanningen geleverd om twee alternatieve kristalsynthesetechnieken te ontwikkelen:de ammonothermische methode en de natriumfluxmethode. Bij beide methoden een kristal wordt gekweekt in een oplossing die grondstoffen bevat voor kristalgroei. Hoewel de Na-fluxmethode effectief is gebleken in het minimaliseren van de vorming van dislocaties, er is een nieuw probleem geconstateerd:een groeiend kristal bevat insluitsels (klonten van de bestanddelen van de oplossing).

In dit project, de onderzoekers groeiden een GaN-kristal terwijl ze het GaN-zaadsubstraat achtereenvolgens bedekten met een vloeibare legering bestaande uit grondstoffen voor kristalgroei (d.w.z. gallium en natrium), waardoor wordt voorkomen dat insluitsels vast komen te zitten in het groeiende kristal. In aanvulling, deze techniek bleek effectief te zijn in het aanzienlijk verminderen van de vorming van dislocaties, resulterend in de synthese van hoogwaardige kristallen. Deze techniek maakt de fabricage van een hoogwaardig GaN-substraat mogelijk binnen een zeer eenvoudig proces binnen ongeveer een uur.

De techniek die ze hebben ontwikkeld, biedt mogelijk een nieuwe methode voor het produceren van hoogwaardige GaN-substraten voor gebruik in vermogenshalfgeleiders van de volgende generatie. De onderzoekers verifiëren momenteel de effectiviteit ervan door kleine kristallen te kweken. In toekomstige studies, ze zijn van plan het te ontwikkelen tot een praktische techniek die de synthese van grotere kristallen mogelijk maakt.