Vedecké tímy z Brna vyvíjajú energeticky úsporné čipy, ktoré budú mať širokú škálu uplatnenia vrátane telekomunikácií či e-mobility.
Vyvíjané čipy z nitridu gália môžu nájsť uplatnenie aj v e-mobilite. Ilustračný obrázok. Zdroj: iStockphoto.com
Dva vedecké tímy z Česka – z firmy Thermo Fisher Scientific a z Vysokého učenia technického (VUT) v Brne – skúmajú v rámci trojročného európskeho projektu ALL2GaN nové materiály na výrobu čipov, ktoré analyzujú priamo vo výrobnom prostredí. Zapojenie do projektu ALL2GaN je potvrdením špičkového výskumu prepájajúceho elektrónovú mikroskopiu a polovodičový priemysel.
Kľúčovú úlohu vo výskume zohrávajú elektrónové mikroskopy. Môžu priniesť riešenia, ktoré majú enormný potenciál ušetriť energiu znížením emisií oxidu uhličitého, čím by prispeli k zmierneniu klimatickej krízy. Vyvíjané čipy z nitridu gália (GaN) nájdu uplatnenie v širokej škále aplikácií vrátane telekomunikácií či e-mobility.
Čipy pre solárne články a nabíjačky elektromobilov
Čipy na báze nitridu gália poskytujú viac energie na malom priestore a energiu premieňajú veľmi efektívne. Vďaka tomu priamo prispievajú k úsporám a špičkovým inováciám v oblasti zelených technológií.
Znižovanie emisií oxidu uhličitého
V širokej škále aplikácií, ku ktorým v rámci projektu budú smerovať, majú potenciál ušetriť celosvetovo až 218 miliónov ton oxidu uhličitého za rok. Podľa Tomáša Vystavěla z vývojového tímu popredného svetového výrobcu elektrónových mikroskopov je kľúčové, že sa v prípade aplikácie čipov „ušetrí rádovo šestina ročnej celosvetovej výroby elektrickej energie z jadrových elektrární“.
„Udržateľný dizajn je nielen priamo technickým parametrom našich zariadení, ale zapájame sa aj do vývoja riešení, ktoré k udržateľnosti významne prispievajú, ako v prípade projektu ALL2GaN.“
Pokročilé čipy za dobrú cenu
Ciele projektu priblížil aj Miroslav Kolíbal z Fakulty strojného inžinierstva a CEITEC Vysokého učenia technického v Brne, ktorý sa zaoberá fyzikou materiálov a nanotechnológiami. Vo výskumnej činnosti v týchto oblastiach intenzívne využíva práve elektrónové mikroskopy vyrobené v Brne.
Vo vývoji čipov zohrávajú zásadnú úlohu unikátne mikroskopy umožňujúce v niektorých prípadoch rozlíšenie až na úrovni atómov. Zdroj: CEITEC
„Hoci je nitrid gália dlho študovaným materiálom, stále existuje mnoho otázok a technologických problémov, ktorých vyriešenie umožní výrobu pokročilých čipov s atraktívnou cenou. Cieľom je nové znalosti zužitkovať v súčiastkach, ktoré zásadným spôsobom zmenia trh s výkonovou elektronikou. Plánované sú účinnejšie meniče napätia, elektronika v zariadeniach pre konverziu energie, ako sú solárne články, alebo výkonná bezdrôtová nabíjačka pre elektromobily.“
Skúmanie dislokácií pomocou elektrónových mikroskopov
Cesta k aplikácii pokročilých čipov do výkonovej elektroniky sa začína pri materiálovom výskume. „Podieľame sa na analýze a vývoji substrátov z nitridu gália na výrobu čipov. Materiál obsahuje dislokácie – čiarové poruchy kryštálovej mriežky, čo môže spôsobiť, že čip funguje inak, než ako bol navrhnutý. Prispievame tak k tomu, aby výrobcovia čipov mohli pracovať so substrátmi s minimálnym počtom dislokácií,“ opísal Tomáš Vystavěl zapojenie vývojového tímu firmy Thermo Fisher Scientific.
Unikátne mikroskopy s rozlíšením na úrovni atómov
Vo vývoji čipov zohrávajú zásadnú úlohu zariadenia umožňujúce v niektorých prípadoch rozlíšenie až na úrovni atómov. „V Brne vyvíjame mikroskopy, vďaka ktorým sme schopní pozorovať a kvantifikovať možné defekty čipu, a to bez poškodenia, čo je veľká pridaná hodnota. Táto takzvaná nedeštruktívna charakterizácia sa uskutočňuje vďaka unikátnym technikám rastrovacieho elektrónového mikroskopu,“ vysvetlil.
Ďalšia fáza výskumu spočíva v príprave tenkej vzorky, ktorá sa následne pozoruje v transmisnom elektrónovom mikroskope, čo vedie napríklad k odhaleniu príčin zlyhania čipu. „V tomto prípade spolupracujeme s kolegami z VUT, ktorí sú odborníkmi na fyziku defektov a zisťujú, ako môžu ovplyvniť vlastnosti zariadenia,“ spomenul Vystavěl úzke prepojenie na výskumný tím Miroslava Kolíbala.
Kľúčová infraštruktúra
Centrum CEITEC Nano poskytuje vedeckému tímu kľúčovú infraštruktúru. Podľa Miroslava Kolíbala sa tím z Fakulty strojného inžinierstva a CEITEC Vysokého učenia technického v Brne zameriava na dislokácie, teda na čiarovú poruchu v pravidelnom usporiadaní atómov v kryštáli, podobne ako výskumníci z Thermo Fisher Scientific.
„Jednou z výskumných úloh je pozorovanie pohybu dislokácií v GaN materiáli pomocou transmisného elektrónového mikroskopu. A v spolupráci s ďalšími industriálnymi partnermi sa budeme podieľať na použití vybraných analytických techník vo výrobnom prostredí,“ zhrnul Kolíbal zapojenie do ALL2GaN.
„Máme už metodológiu, ako defekty pozorovať, ale s potrebou veľmi skúseného operátora. Je to ako dodávať Formulu 1 s tým najlepším pilotom. Našou úlohou je overiť, že sme dnes manuálne metódy schopní nastaviť a automatizovať priamo pri výrobe,“ priblížil Vystavěl túto časť projektu ALL2GaN, v ktorej zohrávajú brnianski odborníci zásadnú úlohu.
Zdroj: TS CEITEC
(zh)
