จีนค้นพบสาเหตุหลักข้อบกพร่องในวัสดุสารกึ่งตัวนำ GaN อาจเสริมความได้เปรียบด้านเทคโนโลยีและการทหาร

นักวิจัยจากประเทศจีนได้ค้นพบสาเหตุหลักของข้อบกพร่องในวัสดุสารกึ่งตัวนำ Gallium Nitride (GaN) ซึ่งเป็นวัสดุที่มีศักยภาพในการพัฒนาเทคโนโลยีขั้นสูง โดยเฉพาะการใช้งานในภาคทหาร งานวิจัยนี้นำทีมโดยศาสตราจารย์หวง ปิง จากมหาวิทยาลัยปักกิ่ง ซึ่งการค้นพบนี้อาจมีผลกระทบอย่างมากต่ออุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำ

GaN เป็นวัสดุสารกึ่งตัวนำในรุ่นที่สาม ซึ่งใช้อย่างกว้างขวางในเทคโนโลยีระดับสูง เช่น ฐานสถานี 5G, เรดาร์, การสื่อสารทางทหาร, การบินอวกาศ และการทำสงครามอิเล็กทรอนิกส์ GaN มีข้อได้เปรียบเหนือซิลิคอนในบางการใช้งาน เนื่องจากสามารถทำงานได้ที่แรงดันสูง, ความถี่สูง และอุณหภูมิสูง

ในปัจจุบัน สหรัฐฯ เป็นหนึ่งในประเทศที่พึ่งพา GaN อย่างมากสำหรับชิปเทคโนโลยีขั้นสูง ซึ่งทำให้ GaN กลายเป็นวัสดุที่มีความสำคัญเชิงกลยุทธ์ โดยเฉพาะในด้านการทหารและการสื่อสาร

ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยปักกิ่งค้นพบว่า สาเหตุหลักของข้อบกพร่องในวัสดุ GaN เกิดจากการเกิดข้อบกพร่องในโครงสร้างผลึก (Dislocation Defects) ซึ่งส่งผลให้เกิดการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้าและลดประสิทธิภาพของชิป GaN ข้อบกพร่องเหล่านี้เกิดจากโครงสร้างอะตอมของ GaN ที่เป็นแบบหกเหลี่ยม ซึ่งแตกต่างจากโครงสร้างแบบลูกบาศก์ของซิลิคอน

การบกพร่องในซิลิคอนมักเกิดจากการเคลื่อนที่ของอะตอมตามระนาบ (Gliding) ซึ่งอุตสาหกรรมสามารถควบคุมได้แล้ว แต่ข้อบกพร่องใน GaN เกิดจากกระบวนการที่เรียกว่า "Climbing" ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงในจำนวนอะตอมในพื้นที่ท้องถิ่น ซึ่งเป็นกระบวนการที่มีความเข้าใจน้อยจนถึงตอนนี้

การค้นพบที่สำคัญของทีมวิจัยคือ การใช้เทคโนโลยี Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) เพื่อสังเกตข้อบกพร่องในระดับอะตอมเป็นครั้งแรก โดยพวกเขาพบว่า การ "ปรับระดับพลังงาน Fermi" (Fermi level) สามารถควบคุมกระบวนการ Climbing และลดข้อบกพร่องใน GaN ได้

ระดับพลังงาน Fermi เป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดคุณสมบัติการนำไฟฟ้าของวัสดุ ซึ่งการปรับค่าพลังงานนี้จะทำให้การนำไฟฟ้าใน GaN มีประสิทธิภาพมากขึ้น ทีมวิจัยได้แนะนำการใช้สิ่งเจือปนเฉพาะและการปรับแรงดันเกตเพื่อช่วยลดข้อบกพร่องในระหว่างการผลิต GaN

การค้นพบนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับอุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำของจีน เนื่องจาก GaN เป็นวัสดุที่ใช้ในเทคโนโลยีทหารและ 5G หากจีนสามารถผลิต GaN ที่มีคุณภาพสูงในราคาต่ำได้ จะสามารถเพิ่มความสามารถในการแข่งขันของชิปที่ผลิตในจีนได้อย่างมาก

ปัจจุบันจีนควบคุมการผลิตแกลเลียม (Gallium) ประมาณ 98% ของการผลิตทั่วโลก และได้มีการห้ามส่งออกแกลเลียมไปยังสหรัฐฯ ซึ่งส่งผลให้ราคาชิป GaN เพิ่มสูงขึ้น การค้นพบนี้อาจช่วยให้จีนสามารถผลิตชิป GaN คุณภาพสูงได้ในราคาที่ต่ำกว่า ทำให้มีความได้เปรียบในตลาดทั่วโลก โดยเฉพาะในภาคทหารและการสื่อสาร

ตามคำเตือนของสำรวจธรณีวิทยาของสหรัฐฯ (USGS) การที่จีนครองตลาดแกลเลียมและการห้ามส่งออกไปยังสหรัฐฯ จะส่งผลกระทบอย่างมากต่ออุตสาหกรรมที่พึ่งพาชิป GaN โดยเฉพาะในภาคทหารและเทคโนโลยีขั้นสูง

หากจีนสามารถพัฒนาและผลิต GaN ที่มีคุณภาพสูงในราคาที่ต่ำกว่าได้ จะไม่เพียงแต่ลดต้นทุนของชิป GaN แต่ยังเพิ่มความได้เปรียบในอุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำ ซึ่งอาจจะส่งผลต่อการพัฒนาเทคโนโลยีในอนาคต โดยเฉพาะในด้านการทหารและการสื่อสาร 5G

ที่มา : interestingengineering