Nowoczesna infrastruktura dla technologii przyszłości. „GaN-Unipress” rozwija polskie kompetencje w dziedzinie półprzewodników

Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk zrealizował projekt Centrum Fizyki i Technologii Półprzewodników Azotkowych „GaN-Unipress”. Dzięki wsparciu z Krajowego Planu Odbudowy i Zwiększania Odporności powstała infrastruktura badawcza służąca rozwojowi nowej generacji urządzeń energoelektronicznych opartych na azotku galu. Projekt o wartości przyznanego wsparcia 66,01 mln zł ma znaczenie nie tylko dla rozwoju badań, lecz także dla technologicznej autonomii Polski i Europy.

Azotek galu (GaN) należy do materiałów, które mogą odegrać kluczową rolę w rozwoju współczesnej energoelektroniki. Dzięki swoim właściwościom pozwala budować urządzenia pracujące przy wyższych częstotliwościach, o większej gęstości mocy i potencjalnie mniejszych stratach energii niż ich krzemowe odpowiedniki.

To właśnie rozwój technologii opartych na GaN jest jednym z najważniejszych obszarów działalności badawczej Instytutu Wysokich Ciśnień PAN. Instytut dysponuje unikatowymi w skali europejskiej kompetencjami obejmującymi cały łańcuch technologiczny – od krystalizacji azotku galu i wytwarzania podłoży GaN, przez epitaksję, po projektowanie i wytwarzanie zaawansowanych urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych.

GaN – materiał dla nowoczesnej energoelektroniki

Energoelektronika odpowiada za przetwarzanie i sterowanie energią elektryczną. Jest obecna zarówno w urządzeniach codziennego użytku – takich jak ładowarki do telefonów i komputerów – jak i w samochodach elektrycznych, systemach zasilania, przemyśle oraz infrastrukturze energetycznej.

Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na energię i koniecznością jej bardziej efektywnego wykorzystania rośnie znaczenie materiałów półprzewodnikowych, które mogą zapewnić większą sprawność przetwarzania energii. Krzem, który przez dekady pozostawał podstawowym materiałem dla elektroniki, zbliża się w wielu zastosowaniach do swoich granic technologicznych.

Jedną z odpowiedzi na te ograniczenia jest wykorzystanie półprzewodników szerokoprzerwowych, w tym azotku galu. Oparte na GaN diody i tranzystory mogą pracować z wyższymi częstotliwościami, być mniejsze i bardziej odporne na promieniowanie. Według założeń projektu zastosowanie urządzeń mocy opartych na GaN może prowadzić do istotnego ograniczenia strat energii.

„GaN-Unipress” – strategiczna infrastruktura badawcza

Centrum Fizyki i Technologii Półprzewodników Azotkowych „GaN-Unipress” zostało założone przez prof. dr hab. Izabellę Grzegory, czł. koresp. PAN. Centrum znajduje się na Polskiej Mapie Infrastruktury Badawczej, na której ujęto strategiczne dla polskiej nauki i gospodarki infrastruktury badawcze.

Projekt realizowany przez Instytut Wysokich Ciśnień PAN otrzymał wsparcie w ramach inwestycji A2.4.1 „Inwestycje w rozbudowę potencjału badawczego” Krajowego Planu Odbudowy i Zwiększania Odporności.

• Nazwa projektu: Centrum Fizyki i Technologii Półprzewodników Azotkowych „GaN-Unipress”
• Numer projektu: KPOD.01.18-IW.03-0005/23
• Program: Krajowy Plan Odbudowy i Zwiększania Odporności
• Okres realizacji: 1 stycznia 2024 r. – 30 czerwca 2026 r.
• Realizator: Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk
• Kierownik projektu: Michał Boćkowski
• Wydatki kwalifikowalne: 79 393 580,00 zł
• Dofinansowanie: 66 008 580,00 zł

Od kryształu do urządzenia

Jednym z największych wyzwań dla rozwoju technologii GaN jest dostępność odpowiedniej jakości podłoży z azotku galu. W szczególności potrzebne są podłoża o dużej średnicy i bardzo wysokiej jakości strukturalnej, które mogą być wykorzystywane do produkcji zaawansowanych urządzeń półprzewodnikowych.

Instytut Wysokich Ciśnień PAN rozwija w tym obszarze własne, unikatowe technologie krystalizacji GaN. Jak wskazuje Instytut, jest obecnie jedynym europejskim wytwórcą podłoży z azotku galu.

W ramach projektu „GaN-Unipress” rozwijana jest infrastruktura umożliwiająca prowadzenie badań i prac technologicznych nad 4-calowymi i większymi podłożami GaN oraz nad strukturami kwantowymi przeznaczonymi do zastosowań w urządzeniach dużej mocy i wysokiej częstotliwości.

Docelowo infrastruktura ma umożliwić opracowywanie technologii wytwarzania diod i tranzystorów mocy oraz wysokiej częstotliwości na bazie podłoży GaN o najwyższej jakości strukturalnej.

To szczególnie istotne, ponieważ przejście od badań nad samym materiałem do produkcji gotowych struktur i urządzeń wymaga nie tylko wiedzy naukowej, ale także odpowiedniej infrastruktury technologicznej. „GaN-Unipress” ma tworzyć właśnie takie zaplecze – łączące badania podstawowe, prace rozwojowe i przygotowanie technologii do zastosowań przemysłowych.

W kierunku polskiej i europejskiej autonomii technologicznej

Rozwój własnych kompetencji w dziedzinie półprzewodników ma znaczenie wykraczające poza pojedynczy projekt badawczy.

Półprzewodniki są dziś jedną z kluczowych technologii dla gospodarki – znajdują zastosowanie m.in. w energetyce, telekomunikacji, transporcie, elektronice, przemyśle i technologiach obronnych. Dostęp do własnych technologii wytwarzania materiałów półprzewodnikowych i urządzeń opartych na tych materiałach jest zatem jednym z elementów bezpieczeństwa technologicznego.

„GaN-Unipress” wpisuje się w ten kierunek. Rozwijana infrastruktura ma przyczynić się do zwiększenia zdolności Polski i Unii Europejskiej do prowadzenia zaawansowanych badań oraz rozwijania własnych technologii w obszarze energoelektroniki. Instytut Wysokich Ciśnień PAN wskazuje, że projekt stanowi ważny element budowania strategicznej autonomii Polski i UE w dziedzinie przetwarzania energii.

Infrastruktura dostępna dla środowiska naukowego

Istotnym założeniem przedsięwzięcia jest otwarty charakter infrastruktury. Dostęp do infrastruktury „GaN-Unipress” ma być zapewniony przy poszanowaniu obowiązujących praw własności intelektualnej.

Oznacza to możliwość wykorzystania powstałego zaplecza nie tylko na potrzeby własnych prac Instytutu, ale również do prowadzenia badań i prac technologicznych przez szersze środowisko naukowe i technologiczne.

Inwestycja w przyszłość polskiej nauki i przemysłu

Projekt „GaN-Unipress” jest przykładem inwestycji, w której rozwój infrastruktury badawczej bezpośrednio łączy się z rozwojem technologii o potencjalnie szerokim zastosowaniu gospodarczym.

Połączenie kompetencji Instytutu Wysokich Ciśnień PAN w zakresie krystalizacji GaN, przygotowania podłoży, epitaksji oraz wytwarzania urządzeń półprzewodnikowych tworzy unikatowe zaplecze do rozwijania technologii nowej generacji. Instytut deklaruje pełne kompetencje w technologii półprzewodników azotkowych – od krystalizacji GaN po zaawansowane urządzenia elektroniczne i optoelektroniczne.

„GaN-Unipress” wpisuje się tym samym w jeden z najważniejszych kierunków współczesnej nauki i gospodarki: rozwój energooszczędnych technologii, zwiększanie efektywności wykorzystania energii oraz budowanie własnych kompetencji w strategicznych obszarach technologicznych.

Dzięki inwestycji realizowanej przez Instytut Wysokich Ciśnień PAN polska nauka zyskuje infrastrukturę pozwalającą nie tylko badać właściwości zaawansowanych materiałów półprzewodnikowych, lecz także rozwijać technologie, które w przyszłości mogą znaleźć zastosowanie w urządzeniach odpowiedzialnych za coraz bardziej efektywne przetwarzanie energii.

Fot. Instytut Wysokich Ciśnień PAN, ul Sokołowska 29/37, Warszawa (fot. Mikołaj Żak)