Есть много новых возможностей для разработки нитрида галлия (GaN), используемого в производстве светодиодов. Одним из наиболее перспективных методов производства нитрида галлия является аммонотермический метод, в котором используется реактор, заполненный жидким аммиаком. Этот метод идентичен гидротермальному методу, используемому при производстве кварца, в котором вместо аммиака используется вода.
Однако высокая температура внутри аммонотермического реактора в сочетании с давлением, в 2500 раз превышающим атмосферное, и коррозионное воздействие так называемой сверхкритической жидкости создают проблемы для камеры реактора и, таким образом, для производства светодиодных материалов. Чтобы найти решение проблемы, постдокторант Университета Аалто Сами Суйконен и исследовательская группа из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре во главе с лауреатом Нобелевской премии по физике Шуджи Накамурой и постдокторским исследователем Сиддхой Пимпуткаром систематически проанализировали поведение 35 металлов. 2 металлоида и 17 различных керамических материалов с 3 различными химическими составами сверхкритических флюидов, нагретых до температуры 572 градусов Цельсия.
«В аммонотермическом методе энергия, содержащаяся в реакторе, примерно соответствует динамитной шашке, что делает условия довольно враждебными», — резюмирует Сами Суйконен.Никель-хромовый сплав, обычно используемый в реакторах, довольно хорошо переносит обычный сверхкритический аммиак, но плохо выдерживает воздействие смесей, используемых при производстве GaN, которые включают добавку хлорида аммония или натрия.
Наши исследования показали, что ванадий, ниобий и карбид вольфрама стабильны во всех трех сверхкритических жидкостях. Однако для практического применения более важно найти материал, лучше всего подходящий для определенного типа химии. Для аммонийно-натриевого — это серебро; с хлоридом аммония наиболее перспективными представляются нитрид кремния и благородные металлы.
Материалы более высокого качества для применения в силовой электроникеПо словам Суйконена, для замены никель-хромового сплава в реакторе другими конструкционными материалами потребуется изменить технологический процесс. Тем не менее, более прочные реакторы позволят производить более качественный GaN с меньшим количеством кристаллических дефектов, что, в свою очередь, приводит к более качественным светодиодам. Лучшее качество светодиодов означает более низкую цену.
От высококачественного светодиода можно получить больше света на единицу площади. Поскольку цена светодиода определяется его площадью поверхности, более качественные материалы могут снизить цену на светодиоды даже до доли от нынешней цены, которую рассчитывает Суйконен. Кроме того, более качественные светодиоды выделяют меньше тепла и, следовательно, требуют меньших охлаждающих элементов, что может еще больше снизить цену и сделать светодиодные осветительные приборы более компактными, чем нынешние.
Помимо использования в более экономичном и эффективном освещении, эти лучшие материалы могут быть полезны также в силовой электронике, которая необходима, среди прочего, для управления мощностью электромобилей, в источниках питания и преобразователях.Исследование стабильности материалов в сверхкритических растворах аммиака было недавно опубликовано в «Журнале сверхкритических жидкостей».