Galliumnitrid, GaN, är ett av de halvledarmaterial med stort bandgap som lovar mest när det gäller optoelektroniska tillämpningar inom det blå och ultravioletta ljusets våglängdsområde. Materialet lovar också mycket när det gäller elektronikkomponenter för kraftelektronik, högtemperatursystem samt mikrovågs- och kommunikationsteknik.

- Galliumnitrid är inte minst viktigt när det gäller miljöaspekten. Framtidens elektronikkomponenter ska ha en hållbarhet på upp till hundra år. Livscykeln hos en tilllämpning ska bero på mode och design, inte på komponenternas livslängd som idag, säger Bo Monemar som är professor i materiefysik vid Linköpings Universitet.

Det handlar exempelvis om att byta ut vanliga lysrör med kvicksilver, och glödlampor, mot lysdioder med lång livslängd. I trafikljusen har man redan börjat ersätta glödlamporna. Men materialet kan även användas för att förbättra militära UV-detektorer för att se fientligt flyg, eller i solljussensorer som säger till solbadaren när denne varit tillräckligt länge på stranden.

Enligt Bo Monemar är galliumnitrid viktigt vid övergången till det resurssnåla samhället eftersom materialet inte heller dras med de degraderingsprocesser som dagens elektroniska komponenter gör. Materialet är kemiskt inert, och tål att utsättas för höga temperaturer och frekvenser som de vanliga materialen inte tål.

- Det kan handla om kommunikationssystem med plastfibrer i flygplan där temperaturerna hamnar strax över hundra grader. Vanliga lysdioder klarar inte det.

- Eller sensorsystem i bilmotorer. Man vill få bort kopparkablaget ur bilar eftersom det väger så mycket. Därför är det intressant att kunna skicka optiska signaler via kvartsfibrer från sensorer i motorn. Men där når temperaturerna 500-600 °C och i avgassystemet är det ännu varmare, säger Monemar.

I framtiden kommer man att kunna byta ut elektronröret i mikrovågsugnen och på så sätt öka effekten och minska utrymmet som det tar. Krafthalvledare och transistorer i mikrovågsområdet är också tänkbara tillämpningar, särskilt i området över 5 GHz.

- Där slår galliumnitrid ut allt annat, säger Bo Monemar.

Skälet är att elektroner kan röra sig extremt fort i materialet. Kiselkarbid, SiC, går inte lika långt upp i frekvens.

Fördelen med galliumnitrid i optiska komponenter är att det har ett direkt bandgap. I sådana material blir de fotoniska processerna mer effektiva, man får mer ljus per mängd inmatad ström.

- Genom att dopa med indium kan man dessutom variera bandgapet och därmed styra våglängden, säger Herbert Zirath, professor i höghastighetselektronik på Chalmers.

Svensk satsning på önskelistan

Fördelarna verkar vara många och internationellt sett har satsats intensivt på GaN-forskningen. Här i Sverige står det dock i stort sett stilla.

- Vi bygger inte upp någon kompetens. Det gör att vi inte kommer att kunna tillverka tillämpningar här i Sverige utan måste köpa allt från utlandet, säger Bo Monemar.

- Sverige borde satsa på svåra applikationer som högfrekvenstransistorer eller på avancerade optiska system. I Kista har man ju flera lyckade start-upföretag på optosidan och något liknande skulle kunna hända för galliumnitrid på sikt.

Materialet är dock långt ifrån färdigutvecklat, även om ett antal framsteg har rapporterats när det gäller att växa galliumnitrid på safir under de senaste åren. Tekniken fungerar för enkla komponenter som standardlysdioder.

Däremot har man inte lyckats så väl med att ta fram de mera krävande tillämpningarna, som lasrar och högeffekttransistorer. Framgången för de som utvecklats har varit begränsad och de har ännu inte nått marknaden. Det beror dels på att ingen tillverkar bulkmaterial, dels på att det inte finns några GaN-substrat av hög kvalitet att köpa.

Dilemmat med safir, eller kiselkarbid, är nämligen att materialet har helt andra gitterparametrar samt att de termiska utvidgningskoefficienterna inte passar ihop med galliumnitrid. Framställningen görs vid höga temperaturer och när man sedan kyler ner komponenterna uppstår defekter som är väldigt svåra att justera i efterhand.

- Om jag fick önska helt fritt så skulle jag vilja ha utrustning för materialtillverkning och finansiering av en verksamhet kring utveckling av materialen, säger Bo Monemar.

- Det handlar om att skapa en GaN-bas med låg defekttäthet. För tilllämpningarna handlar det dessutom om galliumnitrid som legering med aluminiumnitrid och indiumnitrid och om dessa var för sig.

Herbert Zirath hoppas likt Bo Monemar på galliumnitridens framtid och tillsammans söker de pengar för forskning kring materialet. Zirath har redan en doktorand som sysslar med galliumnitrid. Men han skulle vilja bygga upp en grupp som sysslar med allt ifrån materialframställning till komponentutveckling, där man mäter och karaktäriserar materialet.

Redan idag finns kompetens kring halvledare med stora bandgap, särskilt kiselkarbid, såväl på Chalmers i Göteborg och Universitetet i Linköping som på KTH i Stockholm.

- Vi ser forskning på galliumnitrid som en naturlig fortsättning på detta, säger Herbert Zirath.

I Sverige satsas det nästan ingenting på galliumnitrid. Men Stiftelsen för strategisk forskning skriver i sin verksamhetsplan i mars 2001 att man överväger en sådan satsning framöver.

Dock är inga beslut fattade ännu. Och närmare besked lämnas först efter styrelsemötet i juni.

- Det är ett strategiskt beslut om man vill satsa på något som kommer att spela stor roll i framtiden. Om man inte gör det kan det till exempel innebära att man inte får tillgång till komponenterna före konkurrenterna, säger Herbert Zirath.