Új félvezető anyag: AlYN ígéri az energiahatékonyabb és nagyobb teljesítményű elektronikát

A Fraunhofer IAF kutatói sikerrel növesztettek AlYN/GaN heterostruktúrákat egy MOCVD-reaktorban 4 hüvelykes SiC szubsztrátokon. © Fraunhofer IAF / A Fraunhofer IAF kutatói sikerrel növesztettek AlYN/GaN heterostruktúrákat egy MOCVD-reaktorban 4 hüvelykes SiC szubsztrátokon. © Fraunhofer IAF

A különböző színárnyalatok az AlYN/GaN szilíciumlapkákon különböző yttrium-koncentrációkból és növekedési feltételekből erednek. © Fraunhofer IAF / A különböző színárnyalatok az AlYN/GaN szilíciumlapkákon különböző yttrium-koncentrációkból és növekedési feltételekből erednek. © Fraunhofer IAF

A Fraunhofer IAF kutatócsoportja az AlYN/GaN heterostruktúrák epitaxissal és jellemzésével elért áttörést a félvezető anyagok területén. © Fraunhofer IAF / A kutatócsoport munkájával az AlYN/GaN heterostruktúrák epitaxissal és jellemzéssel áttörést ért el a félvezető anyagok területén. © Fraunhofer IAF

A Fraunhofer IAF kutatói áttörést értek el a félvezető anyagok területén: Aluminium-yttriumnitrid (AlYN) segítségével sikerült egy új és ígéretes félvezető anyagot előállítani és jellemezni a MOCVD módszerrel. Kitűnő anyagjellemzői és gallium-nitridhez (GaN) való alkalmazkodóképessége miatt az AlYN hatalmas potenciállal bír az energiahatékony magas frekvenciájú és nagy teljesítményű elektronika alkalmazásában az információs és kommunikációs technológiák terén.

A kiváló anyagjellemzői miatt az aluminium-yttriumnitrid (AlYN) világszerte különböző kutatócsoportok érdeklődését keltette. Az anyag növekedése eddig azonban nagy kihívást jelentett. Eddig csak magnetron-szputterrel sikerült AlYN-t kiválasztani.

Most a Fraunhofer IAF kutatóinak sikerült az új anyagot a MOCVD-technológiával (fémes szerves kémiai gázfázisú leválasztás) előállítani, ezáltal lehetővé téve új, sokféle alkalmazás feltárását.

„Kutatásunk mérföldkő a új félvezető struktúrák fejlesztésében. Az AlYN olyan anyag, amely lehetővé teszi a teljesítmény növelését ugyanakkor az energiafogyasztás minimalizálásával, így utat nyithat az innovációk előtt az elektronikában, amelyek szükségesek társadalmunk digitálisan hálózatba kapcsolt világában és a folyamatosan növekvő technológiai igények kielégítésében”, mondja Dr. Stefano Leone, a Fraunhofer IAF epitaxia területén dolgozó tudós.

Ígéretes anyagjellemzői miatt az AlYN kulcsfontosságú anyaggá válhat a jövő technológiai innovációiban.

A legújabb kutatások már igazolták az AlYN anyagjellemzőit, például ferroelektromos tulajdonságait. A Fraunhofer IAF kutatói az új vegyület félvezető fejlesztése során elsősorban annak alkalmazkodóképességére összpontosítottak a gallium-nitriddel (GaN): Az AlYN rácsstruktúrája optimálisan illeszthető GaN-hez, és az AlYN/GaN heterostruktúra jelentős előnyöket ígér a jövőbe mutató elektronika fejlesztésében.

Rétegtől a heterostruktúráig

2023-ban a Fraunhofer IAF kutatócsoport már áttörő eredményeket ért el, amikor először sikerült 600 nm vastag AlYN réteget leválasztani. A wurtzit struktúrájú réteg eddig példátlan yttrium-koncentrációt tartalmazott, több mint 30 százalékot. Most a kutatók újabb áttörést értek el: pontosan beállítható yttrium-koncentrációjú AlYN/GaN heterostruktúrákat állítottak elő, amelyek kiváló szerkezeti minőséggel és elektromos tulajdonságokkal rendelkeznek. Az új heterostruktúrák yttrium-koncentrációja akár 16 százalék is lehet. Dr. Lutz Kirste vezetésével a szerkezet-analízis csoport további részletes elemzéseket végez, hogy mélyítse az AlYN szerkezeti és kémiai tulajdonságainak megértését.

A kutatók már nagyon ígéretes elektromos tulajdonságokat mértek az AlYN-nél, amelyek érdekesek lehetnek elektronikus alkatrészekben való alkalmazásra. „Lenyűgöző értékeket sikerült megfigyelni a rétegtörés ellenállásában, az elektron sűrűségében és az elektron mozgékonyságában. Ezek az eredmények rávilágítottak az AlYN potenciáljára a magas frekvenciájú és nagy teljesítményű elektronika területén”, számol be Leone.

AlYN/GaN heterostruktúrák magas frekvenciájú alkalmazásokhoz

Wurtzit kristályszerkezetének köszönhetően az AlYN jól illeszthető a gallium-nitrid wurtzit szerkezetéhez megfelelő összetétel esetén. Egy AlYN/GaN heterostruktúra ígéri a félvezető eszközök fejlesztését jobb teljesítménnyel és megbízhatósággal. Emellett az AlYN képes két-dimenziós elektron-gáz (2DEG) indukálására heterostruktúrákban. A Fraunhofer IAF legújabb kutatási eredményei szerint optimális 2DEG tulajdonságokat mutatnak az AlYN/GaN heterostruktúrák, amikor az yttrium-koncentráció körülbelül 8 százalék.

A jellemzők alapján az AlYN alkalmazható magas elektronmozgékonyságú tranzisztorokban (HEMT-ekben). A kutatók jelentős növekedést mértek az elektron mozgékonyságában alacsony hőmérsékleten (több mint 3000 cm²/Vs 7 K-nál). A csapat már jelentős lépéseket tett az epitaxiális heterostruktúra demonstrációjában, amely szükséges a gyártáshoz, és tovább kutatja az új félvezetőt HEMT-ek gyártására.

Az ipari alkalmazás szempontjából is pozitív kilátásokat látnak: AlYN/GaN heterostruktúrák esetében, amelyek 4 hüvelykes SiC aljzaton nőttek, sikerült bemutatni a heterostruktúrák skálázhatóságát és szerkezeti egységességét. Az AlYN rétegek sikeres gyártása kereskedelmi MOCVD reaktorban lehetővé teszi a nagyobb aljzatokra való skálázást nagyobb MOCVD reaktorokban. Ez a módszer a legproduktívabb a nagy felületű félvezető struktúrák gyártásában, és hangsúlyozza az AlYN potenciálját a tömeggyártásban.

Nemflüchtige memória fejlesztése

Oxidáció kihívásként

Az AlYN ipari felhasználásának egyik fő akadálya az oxidációra való hajlam, amely befolyásolja az anyag alkalmasságát bizonyos elektronikus alkalmazásokban. „A jövőben fontos lesz stratégiákat kidolgozni az oxidáció csökkentésére vagy legyőzésére. Ennek része lehet a tiszta előanyagok fejlesztése, védőbevonatok alkalmazása vagy innovatív gyártási technikák. Az AlYN oxidációra való hajlama nagy kihívás a kutatás számára, hogy biztosítsa az erőfeszítések fókuszát a legígéretesebb területeken”, összegzi Leone.