Forschern des Fraunhofer IAF ist ein Durchbruch auf dem Gebiet der Halbleitermaterialien gelungen: Mit Aluminiumyttriumnitrid (AlYN) ist es ihnen gelungen, ein neues und vielversprechendes Halbleitermaterial mittels MOCVD-Verfahren herzustellen und zu charakterisieren.
Aufgrund seiner hervorragenden Materialeigenschaften und seiner Anpassbarkeit an Galliumnitrid (GaN) verfügt AlYN über ein enormes Einsatzpotenzial in energieeffizienter Hochfrequenz- und Hochleistungselektronik für die Informations- und Kommunikationstechnologie.
Aluminiumyttriumnitrid (AlYN) hat aufgrund seiner herausragenden Materialeigenschaften das Interesse vieler Forschungsgruppen auf der ganzen Welt geweckt. Die Herstellung des Materials war jedoch eine große Herausforderung. Bisher konnte AlYN nur durch Magnetronsputtern abgeschieden werden.
Forschern am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF ist es nun gelungen, das neue Material mithilfe der Metall-organischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) herzustellen und so vielfältige neue Anwendungen zu erschließen.
„Unsere Forschung stellt einen Meilenstein in der Entwicklung neuer Halbleiterstrukturen dar. AlYN ist ein Material, das eine Leistungssteigerung bei minimalem Energieverbrauch ermöglicht und damit den Weg für Innovationen in der Elektronik ebnet, die unsere digital vernetzte Gesellschaft mit ihren immer höheren Technologieanforderungen dringend benötigt“, sagt Dr. Stefano Leone, Wissenschaftler am Fraunhofer IAF im Bereich Epitaxie.
Mit seinen vielversprechenden Materialeigenschaften könnte AlYN zu einem Schlüsselmaterial für zukünftige technologische Innovationen werden.
Die Materialeigenschaften von AlYN, wie etwa die Ferroelektrizität, konnten in jüngeren Untersuchungen bereits nachgewiesen werden. Bei der Entwicklung des neuen Verbindungshalbleiters legten die Forscher am Fraunhofer IAF vor allem Wert auf dessen Anpassbarkeit an Galliumnitrid (GaN): Die Gitterstruktur von AlYN lässt sich optimal an GaN anpassen und die AlYN/GaN-Heterostruktur verspricht deutliche Vorteile für die Entwicklung zukunftsweisender Elektronik.
Von der Schicht zur Heterostruktur
Im Jahr 2023 erreichte die Forschungsgruppe des Fraunhofer IAF bahnbrechende Ergebnisse als es erstmals gelang, eine 600 nm dicke AlYN-Schicht abzuscheiden. Die Schicht mit Wurtzitstruktur enthielt eine beispiellose Yttriumkonzentration von über 30 %.
Nun ist den Forschern ein weiterer Durchbruch gelungen: Sie haben AlYN/GaN-Heterostrukturen mit präzise einstellbarer Yttriumkonzentration hergestellt, die sich durch hervorragende Strukturqualität und elektrische Eigenschaften auszeichnen. Die neuartigen Heterostrukturen weisen eine Yttriumkonzentration von bis zu 16% auf. Die Forschung ist veröffentlicht im Journal APL-Materialien.
Die von Dr. Lutz Kirste geleitete Strukturanalysegruppe führt weiterhin detaillierte Analysen durch, um das Verständnis der strukturellen und chemischen Eigenschaften von AlYN zu verbessern.
Die Fraunhofer-Forscher haben bereits vielversprechende elektrische Eigenschaften von AlYN gemessen, die für den Einsatz in elektronischen Bauteilen interessant sind. „Wir konnten beeindruckende Werte für Schichtwiderstand, Elektronendichte und Elektronenbeweglichkeit beobachten. Diese Ergebnisse zeigten uns das Potenzial von AlYN für die Hochfrequenz- und Hochleistungselektronik“, berichtet Leone.
AlYN/GaN-Heterostrukturen für Hochfrequenzanwendungen
Aufgrund seiner Wurtzit-Kristallstruktur lässt sich AlYN bei geeigneter Zusammensetzung sehr gut an die Wurtzit-Struktur von Galliumnitrid anpassen. Eine AlYN/GaN-Heterostruktur verspricht die Entwicklung von Halbleiterbauelementen mit verbesserter Leistung und Zuverlässigkeit.
Darüber hinaus besitzt AlYN die Fähigkeit, ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) in Heterostrukturen zu induzieren. Aktuelle Forschungsergebnisse des Fraunhofer IAF zeigen optimale 2DEG-Eigenschaften in AlYN/GaN-Heterostrukturen bei einer Yttriumkonzentration von etwa 8 %.
Die Ergebnisse der Materialcharakterisierung zeigen auch, dass AlYN in Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs) verwendet werden kann. Die Forscher beobachteten einen deutlichen Anstieg der Elektronenbeweglichkeit bei niedrigen Temperaturen (mehr als 3000 cm²/Vs bei 7 K). Das Team hat bereits erhebliche Fortschritte bei der Demonstration der für die Herstellung erforderlichen epitaktischen Heterostruktur erzielt und erforscht den neuen Halbleiter weiterhin für die Entwicklung von HEMTs.
Auch hinsichtlich der industriellen Anwendung sind die Forscher optimistisch: Anhand von AlYN/GaN-Heterostrukturen, die auf 4-Zoll-SiC-Substraten gewachsen sind, konnten sie die Skalierbarkeit und strukturelle Einheitlichkeit der Heterostrukturen demonstrieren. Die erfolgreiche Erzeugung von AlYN-Schichten in einem kommerziellen MOCVD-Reaktor ermöglicht die Skalierung auf größere Substrate in größeren MOCVD-Reaktoren.
Dieses Verfahren gilt als das produktivste für die Herstellung großflächiger Halbleiterstrukturen und unterstreicht das Potenzial von AlYN für die Massenproduktion von Halbleiterbauelementen.
Entwicklung nichtflüchtiger Speicher
Aufgrund seiner ferroelektrischen Eigenschaften eignet sich AlYN hervorragend für die Entwicklung von nichtflüchtigen Speicheranwendungen. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass das Material keine Schichtdickenbeschränkung hat. Daher fördert das Forschungsteam am Fraunhofer IAF weitere Forschungen zu den Eigenschaften von AlYN-Schichten für nichtflüchtige Speicher, da AlYN-basierte Speicher nachhaltige und energieeffiziente Datenspeicherlösungen ermöglichen können.
Dies ist insbesondere für Rechenzentren relevant, die das exponentielle Wachstum der Rechenkapazität für künstliche Intelligenz bewältigen müssen und einen deutlich höheren Energieverbrauch haben.
Die Herausforderung der Oxidation
Ein großes Hindernis für die industrielle Nutzung von AlYN ist seine Oxidationsanfälligkeit, die seine Eignung für bestimmte elektronische Anwendungen beeinträchtigt.
„In Zukunft wird es wichtig sein, Strategien zu erforschen, um die Oxidation zu reduzieren oder zu überwinden. Die Entwicklung hochreiner Vorläufer, der Einsatz von Schutzbeschichtungen oder innovative Herstellungstechniken könnten hierzu beitragen.
„Die Anfälligkeit von AlYN gegenüber Oxidation stellt eine große Forschungsherausforderung dar, um sicherzustellen, dass sich die Forschungsanstrengungen auf die Bereiche mit den größten Erfolgschancen konzentrieren“, schließt Leone.
Weitere Informationen:
Isabel Streicher et al., Zweidimensionale Elektronengase in AlYN/GaN-Heterostrukturen, die durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung hergestellt wurden, APL-Materialien (2024). DOI: 10.1063/5.0203156
Bereitgestellt vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF