Nowy materiał półprzewodnikowy: AlYN obiecuje bardziej energooszczędną i wydajniejszą elektronikę

Badaczom z Fraunhofer IAF udało się wyhodować heterostruktury AlYN/GaN w reaktorze MOCVD na 4-calowych podłożach SiC. © Fraunhofer IAF / Researchers at Fraunhofer IAF have succeeded in growing AlYN/GaN heterostructures in a MOCVD reactor on 4-inch SiC substrates. © Fraunhofer IAF

Różne odcienie kolorów wafli AlYN/GaN wynikają z różnych stężeń itru oraz warunków wzrostu. © Fraunhofer IAF / Różne odcienie kolorów wafli AlYN/GaN wynikają z różnych stężeń itru oraz warunków wzrostu. © Fraunhofer IAF

Dzięki swoim pracom nad epitaksją i charakteryzacją heterostruktur AlYN/GaN, zespół badawczy Fraunhofer IAF dokonał przełomu w dziedzinie materiałów półprzewodnikowych. © 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

Badacze z Fraunhofer IAF dokonali przełomu w dziedzinie materiałów półprzewodnikowych: dzięki aluminiumyttriowemu azotkowi (AlYN) udało im się wyprodukować i scharakteryzować nowy i obiecujący materiał półprzewodnikowy za pomocą metody MOCVD. Ze względu na jego doskonałe właściwości materiałowe i zdolność adaptacji do azotku galu (GaN), AlYN ma ogromny potencjał do zastosowania w energooszczędnej elektronice wysokiej częstotliwości i wysokiej mocy dla technologii informacyjnych i komunikacyjnych.

Ze względu na swoje znakomite właściwości materiałowe aluminiumyttriowemu azotkowi (AlYN) zainteresowały się różne grupy badawcze na całym świecie. Dotychczas wzrost tego materiału stanowił jednak duże wyzwanie. Dotychczas udało się jedynie odłożyć AlYN metodą magnetronowego napylania.

Teraz badacze z Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF zdołali wyprodukować nowy materiał za pomocą technologii MOCVD (metaloorganicznego chemicznego osadzania w fazie gazowej), co umożliwiło rozwój nowych, różnorodnych zastosowań.

„Nasze badania stanowią kamień milowy w rozwoju nowych struktur półprzewodnikowych. AlYN to materiał, który pozwala na zwiększenie wydajności przy jednoczesnym minimalizowaniu zużycia energii, co może wytyczyć drogę dla innowacji w elektronice, których nasza cyfrowo połączona społeczność i rosnące wymagania technologiczne pilnie potrzebują”, mówi dr Stefano Leone, naukowiec z Fraunhofer IAF w dziedzinie epitaksji.

Ze względu na swoje obiecujące właściwości materiałowe, AlYN może stać się kluczowym materiałem dla przyszłych innowacji technologicznych.

Najnowsze badania wykazały już właściwości materiałowe AlYN, takie jak ferroelektryczność. Badacze z Fraunhofer IAF skupili się podczas rozwoju nowego związku półprzewodnikowego głównie na jego zdolności do adaptacji do azotku galu (GaN): struktura krystaliczna AlYN może być optymalnie dopasowana do GaN, a heterostruktura AlYN/GaN obiecuje istotne korzyści dla rozwoju nowoczesnej elektroniki.

Od warstwy do heterostruktury

W 2023 roku grupa badawcza z Fraunhofer IAF osiągnęła przełomowe wyniki, gdy po raz pierwszy udało się odłożyć warstwę AlYN o grubości 600 nm. Warstwa o strukturze wurtzytowej zawierała dotąd niespotykaną koncentrację itru powyżej 30 procent. Teraz badacze osiągnęli kolejny przełom: wyprodukowali heterostruktury AlYN/GaN z precyzyjnie regulowaną koncentracją itru, które charakteryzują się doskonałą jakością strukturalną i właściwościami elektrycznymi. Nowatorskie heterostruktury mają zawartość itru do 16 procent. Pod kierownictwem dr Lutz Kirste grupa ds. analizy strukturalnej przeprowadza dalsze szczegółowe analizy, aby pogłębić zrozumienie właściwości strukturalnych i chemicznych AlYN.

Badacze z Fraunhofer już zmierzyli bardzo obiecujące i interesujące właściwości elektryczne AlYN, które mogą znaleźć zastosowanie w elementach elektronicznych. „Zaobserwowaliśmy imponujące wartości oporu warstwy, gęstości elektronów i ruchliwości elektronów. Wyniki te pokazały nam potencjał AlYN dla elektroniki wysokiej częstotliwości i wysokiej mocy”, relacjonuje Leone.

Heterostruktury AlYN/GaN do zastosowań wysokiej częstotliwości

Dzięki strukturze krystalicznej wurtzytowej AlYN można ją bardzo dobrze dopasować do struktury wurtzytowej azotku galu (GaN) przy odpowiednim składzie. Heterostruktura AlYN/GaN obiecuje rozwój elementów półprzewodnikowych o lepszej wydajności i niezawodności. Ponadto AlYN ma zdolność indukowania dwuwymiarowego gazu elektronowego (2DEG) w heterostrukturach. Najnowsze wyniki badań z Fraunhofer IAF pokazują optymalne właściwości 2DEG w heterostrukturach AlYN/GaN przy koncentracji itru około 8 procent.

Wyniki z charakterystyki materiałów pokazują również, że AlYN może być stosowany w tranzystorach o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT). Badacze zaobserwowali istotny wzrost ruchliwości elektronów przy niskich temperaturach (ponad 3000 cm²/V·s przy 7 K). Zespół osiągnął już znaczące postępy w demonstracji epitaksicznej heterostruktury niezbędnej do produkcji i kontynuuje badania nad nowym półprzewodnikiem w kontekście produkcji HEMT.

Badacze przewidują również pozytywną przyszłość dla przemysłowego zastosowania: w heterostrukturach AlYN/GaN wyprodukowanych na 4-calowych podłożach SiC udało się wykazać skalowalność i jednorodność struktury. Udana produkcja warstw AlYN w komercyjnym reaktorze MOCVD umożliwia skalowanie na większe podłoża w większych reaktorach MOCVD. Metoda ta jest uważana za najbardziej produktywną dla produkcji dużych powierzchni półprzewodników i podkreśla potencjał AlYN do masowej produkcji elementów półprzewodnikowych.

Rozwój pamięci nieulotnych

Z powodu swoich właściwości ferroelektrycznych AlYN nadaje się w dużym stopniu do rozwoju nieulotnych pamięci. Kolejną ważną zaletą jest brak ograniczeń co do grubości warstwy. Dlatego zespół badawczy z Fraunhofer IAF zachęca do dalszych badań nad właściwościami warstw AlYN dla nieulotnych pamięci, ponieważ pamięci oparte na AlYN mogą wspierać zrównoważone i energooszczędne rozwiązania przechowywania danych. Jest to szczególnie istotne dla centrów danych, które muszą obsługiwać rosnący wykładniczo wzrost mocy obliczeniowej dla sztucznej inteligencji i zużywają znacznie więcej energii.

Oxidacja jako wyzwanie

Kluczowym wyzwaniem dla przemysłowego zastosowania AlYN jest jego podatność na utlenianie, co może wpływać na przydatność materiału w niektórych zastosowaniach elektronicznych. „W przyszłości będzie ważne badanie strategii zmniejszania lub pokonywania utleniania. Mogą w tym pomóc rozwój wysokiej czystości prekursorów, stosowanie powłok ochronnych lub innowacyjne techniki produkcji. Podatność AlYN na utlenianie stanowi duże wyzwanie dla badań, aby zapewnić, że wysiłki badawcze skoncentrują się na obszarach z największym potencjałem sukcesu”, podsumowuje Leone.