Nový polovodičový materiál: AlYN slibuje energeticky úspornější a výkonnější elektroniku

Výzkumníkům z Fraunhofer IAF se podařilo růst AlYN/GaN heterostruktur v MOCVD reaktoru na 4palcových substrátech SiC. © Fraunhofer IAF / Výzkumníci z Fraunhofer IAF se podařilo růst AlYN/GaN heterostruktur v MOCVD reaktoru na 4palcových substrátech SiC. © Fraunhofer IAF

Různé odstíny barev AlYN/GaN waferů jsou důsledkem odlišných koncentrací yttria a podmínek růstu. © Fraunhofer IAF / Různé barevné odstíny AlYN/GaN waferů jsou výsledkem různých koncentrací yttria a podmínek růstu. © Fraunhofer IAF

S jejich prací na epitaxi a charakterizaci heterostruktur AlYN/GaN dosáhl výzkumný tým Fraunhofer IAF průlomu v oblasti polovodičových materiálů. © Fraunhofer IAF / S jejich prací na epitaxi a charakterizaci heterostruktur AlYN/GaN dosáhl výzkumný tým Fraunhofer IAF průlomu v oblasti polovodičových materiálů. © Fraunhofer IAF

Výzkumníci z Fraunhofer IAF dosáhli průlomu v oblasti polovodičových materiálů: s hliníkovým yttrium nitridem (AlYN) se jim podařilo vyrobit a charakterizovat nový a slibný polovodičový materiál pomocí metody MOCVD. Díky svým vynikajícím vlastnostem a schopnosti přizpůsobit se gallium nitridu (GaN) má AlYN obrovský potenciál pro použití v energeticky účinné vysokofrekvenční a vysokovýkonné elektronice pro informační a komunikační technologie.

Vzhledem ke svým vynikajícím vlastnostem vzbudil hliníkový yttrium nitrid (AlYN) zájem různých výzkumných skupin po celém světě. Růst tohoto materiálu však dosud představoval velkou výzvu. Dosud se podařilo pouze oddělit AlYN pomocí magnetronového sputterování.

Nyní se výzkumníkům z Fraunhofer-Institutu pro aplikovanou pevných látek IAF podařilo pomocí technologie MOCVD (metal-organická chemická depozice plynné fáze) vyrobit nový materiál a tím umožnit rozvoj nových, rozmanitých aplikací.

„Naše výzkumy představují milník ve vývoji nových struktur polovodičů. AlYN je materiál, který umožňuje zvýšení výkonu při současném minimalizování spotřeby energie a může tak otevřít cestu inovacím v elektronice, které naše digitálně propojená společnost a stále rostoucí požadavky na technologie naléhavě potřebují,“ říká Dr. Stefano Leone, vědec z Fraunhofer IAF v oblasti epitaxe.

Vzhledem ke svým slibným vlastnostem může AlYN stát klíčovým materiálem pro budoucí technologické inovace.

Nejnovější výzkumy již prokázaly vlastnosti AlYN, například ferroelektrické chování. Výzkumníci z Fraunhofer IAF se při vývoji nového spojitého polovodiče zaměřili především na jeho schopnost přizpůsobit se gallium nitridu (GaN): Krystalová struktura AlYN se může optimálně přizpůsobit GaN a heterostruktura AlYN/GaN slibuje zásadní výhody pro vývoj průkopnické elektroniky.

Od vrstvy k heterostruktuře

V roce 2023 dosáhla výzkumná skupina z Fraunhofer IAF již průlomových výsledků, když se jim poprvé podařilo oddělit vrstvu AlYN o tloušťce 600 nm. Tato vrstva s wurtzitovou strukturou obsahovala dosud nedosaženou koncentraci yttria přes 30 procent. Nyní výzkumníci dosáhli dalšího průlomu: Vyrobili heterostruktury AlYN/GaN s přesně nastavitelou koncentrací yttria, které se vyznačují vynikající strukturální kvalitou a elektrickými vlastnostmi. Tyto nové heterostruktury mají koncentraci yttria až do 16 procent. Pod vedením Dr. Lutz Kirste skupina provádí další podrobné analýzy, aby prohloubila porozumění strukturálním a chemickým vlastnostem AlYN.

Výzkumníci z Fraunhofer již změřili velmi slibné elektrické vlastnosti AlYN, které jsou zajímavé pro použití v elektronických součástkách. „Měli jsme možnost zaznamenat působivé hodnoty odporu vrstvy, elektronové hustoty a pohyblivosti elektronů. Tyto výsledky nám ukázaly potenciál AlYN pro vysokofrekvenční a vysokovýkonnou elektroniku,“ uvádí Leone.

Heterostruktury AlYN/GaN pro vysokofrekvenční aplikace

Vzhledem ke své wurtzitové krystalové struktuře lze AlYN při vhodném složení velmi dobře přizpůsobit struktuře wurtzitu gallium nitridu. Heterostruktura AlYN/GaN slibuje vývoj polovodičových prvků s lepším výkonem a spolehlivostí. Navíc má AlYN schopnost indukovat dvourozměrný elektronový plyn (2DEG) v heterostrukturách. Nejnovější výzkumy z Fraunhofer IAF ukazují optimální vlastnosti 2DEG v heterostrukturách AlYN/GaN při koncentraci yttria přibližně 8 procent.

Výsledky z charakterizace materiálu také ukazují, že AlYN může být použit v tranzistorech s vysokou pohyblivostí elektronů (HEMT). Výzkumníci zaznamenali významný nárůst pohyblivosti elektronů při nízkých teplotách (více než 3000 cm²/Vs při 7 K). Tým již dosáhl významného pokroku při demonstraci epitaxní heterostruktury, která je nezbytná pro výrobu, a dále zkoumá nový polovodič s cílem výroby HEMT.

Také pro průmyslové využití lze výzkumníky pozitivně odhadnout: u heterostruktur AlYN/GaN, které vyrůstají na 4palcových substrátech SiC, dokázali demonstrovat škálovatelnost a strukturální rovnoměrnost heterostruktur. Úspěšná výroba vrstev AlYN v komerčním reaktoru MOCVD umožňuje škálování na větší substráty v větších reaktorech MOCVD. Tato metoda je považována za nejproduktivnější pro výrobu velkých polovodičových struktur a zdůrazňuje potenciál AlYN pro sériovou výrobu polovodičových součástek.

Vývoj nevolatilních pamětí

Vzhledem ke svým ferroelektrickým vlastnostem je AlYN velmi vhodný pro vývoj nevolatilních paměťových aplikací. Další významnou výhodou je, že materiál nemá žádné omezení tloušťky vrstvy. Výzkumný tým z Fraunhofer IAF proto navrhuje dále zkoumat vlastnosti vrstev AlYN pro nevolatilní paměti, protože paměti založené na AlYN mohou podpořit udržitelná a energeticky efektivní řešení ukládání dat. To je obzvláště důležité pro datová centra, která jsou nasazena k zvládání exponenciálního nárůstu výpočetní kapacity pro umělou inteligenci a mají výrazně vyšší spotřebu energie.

Oxidace jako výzva

Klíčovou překážkou pro průmyslové využití AlYN je jeho náchylnost k oxidaci, což může ovlivnit vhodnost materiálu pro určité elektronické aplikace. „V budoucnu bude důležité zkoumat strategie ke snížení nebo překonání oxidace. To může zahrnovat vývoj vysoce čistých prekurzorů, použití ochranných vrstev nebo inovativní výrobní techniky. Náchylnost AlYN k oxidaci představuje velkou výzvu pro výzkum, aby bylo možné zajistit, že výzkumné úsilí bude zaměřeno na oblasti s největšími šancemi na úspěch,“ uzavírá Leone.