Celem bezpośrednim proponowanego projektu jest opracowanie technologii wytwarzania monokrystalicznych podłoży z węglika krzemu (SiC) oraz technologii epitaksji cienkich warstw azotku galu (GaN) oraz grafenu na wspomnianych podłożach. Skutkiem opracowanych technologii będzie otrzymanie materiału stanowiącego bazę do wytwarzania urządzeń elektronicznych o lepszych i stabilniejszych właściwościach.
Osiągnięcie tak postawionego celu planuje się poprzez zastosowanie najnowszych technik projektowania z wykorzystaniem najwyższej klasy urządzeń do wytwarzania, charakteryzacji i modelowania materiałów półprzewodnikowych.
Węglik krzemu (SiC) jest jednym z najbardziej perspektywicznych materiałów do zastosowań w obszarze elektroniki dużych mocy i wysokich częstotliwości. Zawdzięcza to przede wszystkim wyjątkowym właściwościom elektrycznym: szeroka przerwa energetyczna, duża prędkość nasycenia, wysokie, krytyczne pole przebicia. Dodatkowo SiC cechuje się wysoką przewodnością termiczną, dużą stabilnością chemiczną i fizyczną oraz wysoką twardością.
Wszystkie te cechy sprawiają, że węglik krzemu powoli wypiera stosowane do tej pory materiały takie jak krzem (Si), german (Ge), arsenek galu (GaAs), azotek galu (GaN) i fosforek indu (InP), wszędzie tam gdzie cena materiału jest nadal aspektem wtórnym w odniesieniu do ceny urządzenia, np. radary, wysokiej mocy lasery, diody o dużej sprawności, czujniki ciśnienia i gazów pracujące w podwyższonych temperaturach oraz elementy przetworników układów silników hybrydowych.
Jedną z podstawowych barier ograniczających szersze zastosowanie SiC jest jego niska jakość i wysoka cena. Wysoka cena węglika krzemu nie wynika z dostępności tego materiału (SiC w postaci proszku jest powszechnie stosowany jako materiał ścierny), ale z kosztownej technologii wytwarzania jego formy monokrystalicznej. Obecnie, najbardziej powszechną technologią produkcji kryształów objętościowych węglika krzemu jest wzrost kryształu z fazy gazowej. Proces ten przebiega w temperaturze powyżej 2000ºC, jest czasochłonny i bardzo niestabilny. Otrzymywane materiały w postaci krążków o średnicy 2-3 cali i grubości 2-4 cm charakteryzują się obecnością wielu defektów strukturalnych, które wykluczają przydatność tak otrzymanego SiC do wytwarzania funkcjonalnych urządzeń elektronicznych.
Wytworzenie podłoży z monokrystalicznego SiC nie jest jedyną barierą w produkcji nowoczesnych urządzeń elektronicznych dużych mocy i wysokich częstotliwości. Nie mniej istotną rolę w opracowaniu takich urządzeń odgrywają cienkie warstwy epitaksjalne na podłożu SiC. Obecnie prowadzi się próby uzyskania cienkich warstw azotku galu (GaN) oraz grafenu na SiC. Szczególnie w przypadku grafenu światowa technologia jest w fazie wstępnej, a liczne prace badawcze ujawniają wyjątkowe właściwości tego materiału. Niemniej jednak należy stwierdzić, że brak jest solidnych podstaw teoretycznych umożliwiających prowadzenie przemyślanych eksperymentów prowadzących do opracowania efektywnej technologii wytwarzania.
Przedkładany projekt ma na celu opracowanie technologii wytwarzania materiałów dla urządzeń elektronicznych dużych mocy i wysokich częstotliwości. Kompleksowe rozwiązanie problemu możliwe będzie poprzez wykorzystanie potencjału Konsorcjum, powołanego do realizacji projektu, w obszarach projektowania numerycznego, implementacji technologicznej oraz charakteryzacji.
Nowatorskim rozwiązaniem prowadzącym do optymalizacji wspomnianej technologii będzie zastosowanie nowoczesnych metod projektowania opartych na obliczeniach numerycznych. Zastosowanie metod modelowania komputerowego pozwoli na zbudowanie solidnych podstaw teoretycznych prowadzonych procesów technologicznych, zrozumienie zjawisk towarzyszących wzrostowi monokryształu SiC oraz warstw epitaksjalnych. Umożliwi także określenie czynników procesowych mających wpływ na przebieg zjawisk niekorzystnych z punktu widzenia właściwości otrzymywanych materiałów, oraz ich kontrolę i/lub eliminację.
Prowadzone obliczenia będą na bieżąco weryfikowane poprzez wykonywanie prób technologicznych opartych o wytyczne będące wynikiem tych obliczeń. Niezbędnym narzędziem stanowiącym pomost pomiędzy projektowaniem numerycznym a technologią stanowić będzie charakteryzacja struktury i właściwości materiałów oraz procesu wzrostu i zjawisk mu towarzyszących.
Projekt realizowany będzie przez Konsorcjum składające się z trzech jednostek badawczych: Politechnikę Warszawską, Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych oraz Uniwersytet Warszawski. Każdy z partnerów Konsorcjum jest specjalistą w wybranych obszarach badawczych i technologicznych, posiada doświadczenie i aparaturę badawczą niezbędną do przeprowadzenia zadań prowadzących do realizacji projektu.
Należy zauważyć, że wdrożenie opracowanej w ramach projektu technologii wytwarzania półprzewodników na bazie SiC nie wymaga dużych nakładów finansowych. Dopiero zwiększenie skali produkcji wiąże się z koniecznością przeprowadzenia kosztownych inwestycji. Stwarza to doskonałe podłoże dla wdrożenia wyników projektu poprzez utworzenie spółki typu spin-off. Zarówno PW jak i ITME ma potwierdzone doświadczenie w tworzeniu tego typu spółek. (patrz pkt. 2.2 Studium Wykonalności - Wskazanie stanu po zrealizowaniu projektu).
Ze względu na duży i silnie rosnący popyt na materiały bazujące na monokrystalicznym węgliku krzemu oraz duże zainteresowanie technologią wytwarzania takich materiałów, możliwy jest także scenariusz w którym wyniki projektu, na zasadach rynkowych, udostępnione zostaną zainteresowanym przedsiębiorstwom (np. Comsecore, TOPSIL).
Założenie dwóch niezależnych scenariuszy wdrożenia pozwala na zwiększenie prawdopodobieństwa sukcesu w tym obszarze.
Przedłożony projekt dotyczy zaawansowanych technologii materiałowych, które są wyróżnikiem rozwoju opartego na wiedzy. Realizacja projektu oraz wdrożenie jego rezultatów przyczyni się do wzrostu konkurencyjności polskich przedsiębiorstw w zakresie urządzeń elektronicznych dużej mocy. Założenia niniejszego projektu wpisują się m.in. w wytyczne określone w dokumencie strategicznym Ministerstwa Gospodarki – Strategia dla Przemysłu Elektronicznego do roku 2010 z października 2006 roku. W wytycznych jednym z celów jest zwiększenie konkurencyjności przemysłu elektronicznego w warunkach działania na wspólnotowym rynku UE. Tematyka projektu jest również zgodna z określonymi przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego priorytetowymi kierunkami badawczymi, które obecnie poddawane są analizie metodą foresight w ramach Narodowego Programu Foresight Polska 2020, do jakich zaliczono między innymi: nowe materiały i technologie (w tym materiały dla elektroniki i optoelektroniki).
Należy zauważyć, że projekt jest zgodny ze wszystkimi celami osi priorytetowej 1 PO IG, które obejmują:
Podkreśleniu wymaga fakt, że projekt, zarówno na etapie realizacji jak i po zakończeniu, ma pośredni i bezpośredni, pozytywny wpływ na środowisko. Specyfika projektu wynikająca z jego kompleksowości uwzględniającej projektowanie z wykorzystaniem metod modelowania numerycznego, pozwoli na znaczne zredukowanie licznych prób eksperymentalnych, a co za tym idzie zredukowanie związanych z działalnością technologiczną i doświadczalną efektów obciążających środowisko, takich jak np. zużycie energii elektrycznej. Ponadto, należy zauważyć, że technologia wytwarzania SiC, ze względu na stosowane substraty, w odróżnieniu od technologii wytwarzania innych półprzewodników (np. GaAs), jest znacznie mniej szkodliwa dla środowiska. Dzięki dużej efektywności energetycznej zastosowanie w przyszłości półprzewodników na bazie SiC może doprowadzić do ograniczenia emisji szkodliwych dla środowiska gazów o 20 milionów ton rocznie (źródło – program JESICA).
Sukces proponowanego projektu umożliwi utrzymanie tempa rozwoju technologii opartej o SiC w Europie, zgodnego z tempem narzuconym przez obecnie głównych konkurentów podmiotów amerykańskich, a mianowicie firm japońskich, koreańskich i chińskich.
