Nieuw halfgeleidermateriaal: AlYN belooft energiezuinigere en krachtigere elektronica

Onderzoekers van het Fraunhofer IAF zijn erin geslaagd om AlYN/GaN-heterostructuren te laten groeien in een MOCVD-reactor op 4-inch SiC-substraten. © Fraunhofer IAF / Onderzoekers van het Fraunhofer IAF zijn erin geslaagd om AlYN/GaN-heterostructuren te laten groeien in een MOCVD-reactor op 4-inch SiC-substraten. © Fraunhofer IAF

De verschillende kleurnuances van de AlYN/GaN-wafers ontstaan door verschillende yttriumconcentraties en groeicondities. © Fraunhofer IAF / De verschillende kleurnuances van de AlYN/GaN-wafers ontstaan door verschillende yttriumconcentraties en groeicondities. © Fraunhofer IAF

Met hun werk aan de epitaxie en karakterisering van AlYN/GaN-heterostructuren heeft het onderzoeksteam van het Fraunhofer IAF een doorbraak bereikt op het gebied van halfgeleidermaterialen. © Fraunhofer IAF / With their work on the epitaxy and characterization of AlYN/GaN heterostructures, the Fraunhofer IAF research team achieved a breakthrough in the field of semiconductor materials. © Fraunhofer IAF

Onderzoekers van het Fraunhofer IAF hebben een doorbraak bereikt op het gebied van halfgeleidermaterialen: met aluminiumyttriumnitraat (AlYN) is het hen gelukt een nieuw en veelbelovend halfgeleidermateriaal te produceren en te karakteriseren met behulp van de MOCVD-technologie. Vanwege zijn uitstekende materiaaleigenschappen en zijn aanpassingsvermogen aan galliumnitraat (GaN) beschikt AlYN over een enorm potentieel voor gebruik in energiezuinige hoogfrequentie- en hoogvermogen-elektronica voor informatietechnologieën en communicatietechnologieën.

Vanwege zijn uitstekende materiaaleigenschappen heeft aluminiumyttriumnitraat (AlYN) de interesse gewekt van verschillende onderzoeksgroepen wereldwijd. Het groeien van het materiaal vormde echter tot nu toe een grote uitdaging. Tot nu toe is het alleen gelukt om AlYN af te zetten met behulp van de magnetron-sputtertechniek.

Nu zijn onderzoekers van het Fraunhofer-instituut voor Toegepaste Vastestoffysica IAF erin geslaagd het nieuwe materiaal te produceren met behulp van de MOCVD-technologie (metallorganische chemische gasfasenafzetting), waardoor de ontwikkeling van nieuwe, veelzijdige toepassingen mogelijk wordt.

»Ons onderzoek markeert een mijlpaal in de ontwikkeling van nieuwe halfgeleidervormen. AlYN is een materiaal dat een prestatieverbetering mogelijk maakt bij gelijktijdige minimalisering van het energieverbruik en daarmee de weg kan vrijmaken voor innovaties in de elektronica die onze digitaal verbonden samenleving en de steeds hogere technologische eisen dringend nodig hebben«, zegt Dr. Stefano Leone, wetenschapper bij het Fraunhofer IAF op het gebied van epitaxie.

Vanwege zijn veelbelovende materiaaleigenschappen kan AlYN uitgroeien tot een sleutelmateriaal voor toekomstige technologische innovaties.

Recente onderzoeken hebben al de materiaaleigenschappen van AlYN aangetoond, zoals ferroelectriciteit. De onderzoekers van het Fraunhofer IAF richtten zich bij de ontwikkeling van de nieuwe verbinding halfgeleider vooral op de aanpasbaarheid aan galliumnitraat (GaN): de roosterstructuur van AlYN kan optimaal worden afgestemd op GaN en de AlYN/GaN-heterostructuur belooft belangrijke voordelen voor de ontwikkeling van toekomstgerichte elektronica.

Van de laag tot de heterostructuur

In 2023 heeft de onderzoeksgroep van het Fraunhofer IAF al baanbrekende resultaten behaald toen het hen voor het eerst lukte een 600 nm dikke AlYN-laag af te zetten. De laag met wurtzitstructuur bevatte een tot dan toe ongeëvenaarde yttriumconcentratie van meer dan 30 procent. Nu hebben de onderzoekers een verdere doorbraak gerealiseerd: ze hebben AlYN/GaN-heterostructuren met nauwkeurig instelbare yttriumconcentratie geproduceerd, die zich kenmerken door uitstekende structurele kwaliteit en elektrische eigenschappen. De nieuwe heterostructuren bevatten een yttriumconcentratie tot 16 procent. Onder leiding van Dr. Lutz Kirste voert de groep voor structurele analyse verdere gedetailleerde onderzoeken uit om het begrip van de structurele en chemische eigenschappen van AlYN te verdiepen.

De onderzoekers van het Fraunhofer-instituut konden al zeer veelbelovende elektrische eigenschappen van AlYN meten die interessant zijn voor gebruik in elektronische componenten. »We konden indrukwekkende waarden voor de laagweerstand, de elektrondichtheid en de elektronenmobiliteit waarnemen. Deze resultaten hebben ons het potentieel van AlYN voor hoogfrequentie- en hoogvermogen-elektronica duidelijk gemaakt«, aldus Leone.

AlYN/GaN-heterostructuren voor hoogfrequente toepassingen

Door zijn wurtzit-kristalstructuur kan AlYN bij geschikte samenstelling zeer goed worden afgestemd op de wurtzit-structuur van galliumnitraat. Een AlYN/GaN-heterostructuur belooft de ontwikkeling van halfgeleiderelementen met verbeterde prestaties en betrouwbaarheid. Bovendien bezit AlYN het vermogen om een tweedimensionale elektrongas (2DEG) te induceren in heterostructuren. Recente onderzoeksresultaten van het Fraunhofer IAF tonen optimale 2DEG-eigenschappen in AlYN/GaN-heterostructuren bij een yttriumconcentratie van ongeveer 8 procent.

De resultaten uit de materiaalkarakterisering laten ook zien dat AlYN in transistoren met hoge elektronenmobiliteit (HEMT's) kan worden ingezet. De onderzoekers konden een significante toename van de elektronenmobiliteit bij lage temperaturen waarnemen (meer dan 3000 cm²/Vs bij 7 K). Het team heeft al belangrijke vorderingen gemaakt bij het demonstreren van de epitaxiale heterostructuur die nodig is voor de productie en onderzoekt de nieuwe halfgeleider verder met het oog op de fabricage van HEMT's.

Ook voor industrieel gebruik kunnen de onderzoekers een positieve prognose geven: bij AlYN/GaN-heterostructuren die op 4-inch SiC-substraten zijn gegroeid, konden ze schaalbaarheid en structurele uniformiteit van de heterostructuren aantonen. Het succesvolle produceren van AlYN-lagen in een commerciële MOCVD-reactor maakt opschaling op grotere substraten in grotere MOCVD-reactoren mogelijk. Deze methode wordt beschouwd als de meest productieve voor de fabricage van grootschalige halfgeleiderstructuren en onderstreept het potentieel van AlYN voor grootschalige productie van halfgeleiderelementen.

Ontwikkeling van niet-vluchtige geheugen

Vanwege zijn ferroelectriciteit is AlYN zeer geschikt voor de ontwikkeling van niet-vluchtige geheugenapplicaties. Een ander belangrijk voordeel is dat het materiaal geen beperking heeft qua dikte van de laag. Daarom moedigt het onderzoeksteam van het Fraunhofer IAF verder onderzoek aan naar de eigenschappen van AlYN-lagen voor niet-vluchtige geheugen, omdat AlYN-gebaseerde geheugenoplossingen duurzame en energiezuinige gegevensopslag kunnen stimuleren. Dit is vooral relevant voor datacenters, die worden ingezet om de exponentiële toename van rekenkracht voor kunstmatige intelligentie te verwerken en een aanzienlijk hoger energieverbruik kennen.

Oxidatie als uitdaging

Een belangrijke belemmering voor de industriële toepassing van AlYN is de gevoeligheid voor oxidatie, wat de geschiktheid van het materiaal voor bepaalde elektronische toepassingen kan beperken. »In de toekomst zal het belangrijk zijn om strategieën te onderzoeken om oxidatie te verminderen of te overwinnen. Dit kan onder meer door de ontwikkeling van hoogzuivere precursorstoffen, het toepassen van beschermlagen of innovatieve fabricagetechnieken. De oxidatiegevoeligheid van AlYN vormt een grote uitdaging voor het onderzoek, om ervoor te zorgen dat de onderzoeksinspanningen zich richten op de gebieden met de grootste kans op succes«, concludeert Leone.