Ing. Jakub Pongrácz úspěšně obhájil dizertační práci zaměřenou na rané fáze heteroepitaxního růstu polovodičových filmů.
Ve svém výzkumu se soustředil na materiály InGaN a AlN, které patří mezi důležité III-nitridové polovodiče využitelné v elektronice a optoelektronice. Jedním z hlavních problémů při jejich přípravě je vznik krystalových vad, zejména vláknových dislokací, které mohou zhoršovat vlastnosti výsledných zařízení.
Jeho práce porovnávala několik metod přípravy vrstev, konkrétně chemickou a fyzikální cestou, tím ukázala, že právě podmínky v nejranější fázi růstu výrazně ovlivňují výslednou kvalitu pěstovaného materiálu. Výzkum tak přispívá k lepšímu pochopení toho, jak polovodičové vrstvy vznikají a jak lze omezit defekty, které snižují účinnost budoucích elektronických (transitory, mikro-elektromechanický čip) a optoelektronických součástek (světelné diody – LEDky, laser diody).
Na čem jste ve své dizertaci pracoval?
Zkoumal jsem, jak vznikají defekty ve velmi tenkých polovodičových vrstvách na povrchu jiného materiálu a co se děje v úplně prvních okamžicích jejich růstu. Právě tato raná fáze často rozhoduje o tom, jestli bude výsledná vrstva kvalitní, nebo v ní vznikne velké množství defektů.
Co si pod tím má představit člověk mimo obor?
Většina lidí dnes používá moderní, velmi malé a výkonné nabíječky k telefonům nebo notebookům. Ty jsou založeny právě na nitridu galia (GaN). Aby taková součástka fungovala, musíme na křemíkovou podložku „naskládat“ atomy polovodiče s extrémní přesností. Moje práce se zabývala tím, jak tento proces nastartovat tak, aby nevznikl „krystalový chaos“, ale uspořádaná struktura.
Proč je důležité takové vady zkoumat?
Právě vláknové dislokace snižují účinnost materiálu v elektronických a optoelektronických součástkách. Dizertace ukazuje, že některé typy vláknových dislokací fungují jako silná rekombinační centra nosičů náboje, a tím přímo zhoršují výkon budoucích struktur.
Jaké materiály jste zkoumal?
Šlo především o polovodičové vrstvy InGaN a AlN, tzv. nitridové polovodiče (sloučeniny dusíku s prvky 13. skupiny periodické tabulky). Tyto materiály jsou důležité pro současné i budoucí polovodičové technologie, protože dokáží emitovat světlo v celé spektrální šířce od ultrafialového (UV – C) až po infračervené (IR). Zároveň díky širokému zakázanému pásu umožnují velmi efektivně tranformovat energii.
V čem byl hlavní vědecký oříšek?
Když pěstujeme AlN nebo GaN na křemíku, narážíme na to, že tyto dva materiály mají různou velikost krystalové mřížky – prostě do sebe nepasují (rozdíl je až 19 %). To vytváří obrovské napětí. Pokud růst neřídíme správně, toto napětí se uvolní právě vznikem husté sítě vad.
Jak jste to zkoumal?
Porovnával jsem několik různých metod růstu AlN vrstev pomocí metod epitaxí z kovově-organických par (MOVPE), depozicí atomárních vrstev (ALD) a fyzikální depozicí z par (PVD). Následně jsem sledoval, jak se v materiálu tvoří defekty. K tomu jsem využil elektronové mikroskopie a dalších metod, které mi umožnily zkoumat povrch, vnitřní strukturu i typy vznikajících defektů.
Ukázalo se, že různé metody vedou k různým výsledkům?
Ano. Práce ukázala, že jednotlivé metody vedou k odlišné morfologii i odlišnému typu defektů. U vrstev připravených metodou MOVPE se objevovaly V-pity, což jsou zakončení dislokací na povrchu, zatímco u PVD byl častější ostrůvkový růst a u ALD se za zkoumaných podmínek projevoval amorfní charakter vrstvy, vyšší drsnost nesourodost povrchu a kontaminace.
Podařilo se najít i cestu ke zlepšení?
Ano, jedním z důležitých výsledků bylo, že vhodnou optimalizací růstových podmínek bylo možné výrazně snížit hustotu vláknových dislokací v AlN vrstvách. V dizertaci je popsán případ, kdy se pomocí MOVPE podařilo u vzorku OVGU_1 snížit jejich hustotu z hodnot vyšších než 1010 cm⁻² až na 107 cm⁻².
Co si z toho může odnést širší veřejnost?
Můj výzkum pomáhá vyvíjet materiály pro rychlonabíječky, které díky vysoké kvalitě krystalů pracují efektivněji a téměř se nezahřívají. To šetří elektřinu a prodlužuje životnost elektroniky. Ukazuji tak, jak precizním řízením atomů vytvořit výkonnější a úspornější technologie pro každodenní použití.
Ing. Jakubu Pongráczovi k úspěšné obhajobě gratulujeme a přejeme mnoho dalších vědeckých úspěchů.
Výzkum byl podpořen Grantovou agenturou České republiky (standardní grant 24-12526S), Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy ČR v rámci projektu CZ.02.2.69/0.0/0.0/18_053/0016933, projektem TA ČR TREND „GEFSEM“ č. FW01010183, projektem specifického výzkumu CEITEC VUT-J-20-6385 a výzkumnou infrastrukturou CzechNanoLab financovanou z projektu LM2018110.
📷 Photos: Petra Králová, CEITEC; Roman Gröger, ÚFM
