Neues Halbleitermaterial verspricht Quantensprung
Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik (IAF) haben ein neues Halbleitermaterial entwickelt. Es verspricht aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften und Anpassungsfähigkeit enormes Potenzial für energieeffiziente Hochfrequenz- und Hochleistungselektronik.
Forschende haben ein neues Halbleitermaterial entwickelt, das zu einem Schlüsselmaterial für zukünftige technologische Innovationen werden könnte.
Foto: Fraunhofer IAF
Aluminiumyttriumnitrid (AlYN) besticht durch seine außergewöhnlichen Eigenschaften und seine Kompatibilität mit Galliumnitrid (GaN). Fachleute sehen ein großes Potenzial für energiesparende Hochfrequenz- und Leistungselektronik in der Informations- und Kommunikationstechnik. Weltweit haben Forschergruppen AlYN bereits im Fokus. Das liegt vor allem an den besonderen Eigenschaften. Bislang stellte die Produktion jedoch eine große Hürde dar. Nur das Magnetron-Sputter-Verfahren war erfolgreich darin, das AIYN abzuscheiden.
Was sind Halbleiter und wo werden sie angewendet?
Nun gelang den Fraunhofer-Forschenden ein Durchbruch: Sie produzierten AlYN mittels der sogenannten MOCVD-Technologie. Die Abkürzung steht für metallorganische chemische Gasphasenabscheidung. Diese Methode eröffnet völlig neue Anwendungsmöglichkeiten. „Unsere Forschung markiert einen Meilenstein in der Entwicklung neuer Halbleiterstrukturen. AlYN ist ein Material, das eine Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Minimierung des Energieverbrauchs ermöglicht und damit den Weg für Innovationen in der Elektronik ebnen kann, die unsere digital vernetzte Gesellschaft und die stetig steigenden Anforderungen an Technologien dringend benötigen“, sagt Stefano Leone, Wissenschaftler am Fraunhofer IAF im Bereich Epitaxie. AlYN könnte sich als Schlüsselmaterial für zukünftige technologische Durchbrüche erweisen.
Aluminiumyttriumnitrid: Ein Quantensprung in der Halbleitertechnologie
In anderen Studien konnten die ferroelektrischen Eigenschaften von AlYN schon bestätigt werden. Die Fraunhofer-Forschenden konzentrierten sich bei der Entwicklung dieses neuartigen Verbundhalbleiters deshalb besonders auf seine Anpassungsfähigkeit an Galliumnitrid (GaN). Die Gitterstruktur von AlYN harmoniert perfekt mit GaN, wodurch die AlYN/GaN-Heterostruktur erhebliche Vorteile für innovative elektronische Anwendungen verspricht. Im Jahr 2023 erzielte das Forscherteam am Fraunhofer IAF einen Meilenstein: Sie produzierten erstmals eine 600 Nanometer (nm) dicke AlYN-Schicht mit Wurtzit-Struktur und einem Yttrium-Anteil von über 30 Prozent. Kürzlich gelang ihnen ein weiterer Entwicklungsschritt mit der Herstellung von AlYN/GaN-Heterostrukturen, deren Yttrium-Konzentration präzise einstellbar ist und bis zu 16 Prozent erreicht. Diese Strukturen zeichnen sich durch hervorragende strukturelle Qualität und elektrische Eigenschaften aus.
Im Rahmen der weiteren Tests konnten die Fraunhofer-Wissenschaftler vielversprechende elektrische Eigenschaften von AlYN messen, die für elektronische Bauteile relevant sind. „Wir konnten beeindruckende Werte für den Schichtwiderstand, die Elektronendichte und die Elektronenbeweglichkeit beobachten. Diese Ergebnisse haben uns das Potenzial von AlYN für die Hochfrequenz- und Hochleistungselektronik vor Augen geführt“, erläutert Leone.
Revolutionäre Anwendungen mit Aluminiumyttriumnitrid
Die Wurtzit-Kristallstruktur von AlYN ermöglicht bei geeigneter Zusammensetzung eine optimale Anpassung an die Wurtzit-Struktur von Galliumnitrid. Eine AlYN/GaN-Heterostruktur könnte die Entwicklung leistungsfähigerer und zuverlässigerer Halbleiterbauelemente unterstützen. Zudem kann AlYN in Heterostrukturen ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) induzieren. Aktuelle Forschungsergebnisse des Fraunhofer IAF zeigen optimale 2DEG-Eigenschaften in AlYN/GaN-Heterostrukturen bei einem Yttrium-Anteil von etwa acht Prozent. Die Materialcharakterisierung belegt auch, dass sich AlYN für Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs) eignen. Die Forschenden beobachteten einen deutlichen Anstieg der Elektronenbeweglichkeit bei niedrigen Temperaturen (über 3.000 cm²/Vs bei 7 K). Nach den bedeutenden Fortschritten bei der Demonstration der für die Herstellung erforderlichen epitaktischen Heterostruktur erforscht das Team den neuen Halbleiter weiter im Hinblick auf die HEMT-Produktion.
Auch für die industrielle Anwendung sieht es vielversprechend aus: Bei AlYN/GaN-Heterostrukturen auf 4-Zoll-SiC-Substraten konnten die Forschenden eine Skalierbarkeit und strukturelle Homogenität nachweisen. Die erfolgreiche Herstellung von AlYN-Schichten in einem kommerziellen MOCVD-Reaktor ermöglicht die Skalierung auf größere Substrate in größeren MOCVD-Reaktoren. Diese Methode gilt als die effizienteste für die Produktion großflächiger Halbleiterstrukturen und unterstreicht das Potenzial von AlYN für die Massenproduktion von Halbleiterbauelementen. Die ferroelektrischen Eigenschaften von AlYN machen es besonders geeignet für nichtflüchtige Speicheranwendungen. Ein weiterer Vorteil ist die unbegrenzte Schichtdicke des Materials. Das Forschungsteam am Fraunhofer IAF empfiehlt daher, die Eigenschaften von AlYN-Schichten für nichtflüchtige Speicher weiter zu untersuchen, da AlYN-basierte Speicher nachhaltige und energieeffiziente Datenspeicherlösungen fördern könnten.
Herausforderungen und Zukunftsperspektiven für Halbleiter
Eine bedeutende Hürde für den industriellen Einsatz von AlYN ist seine Anfälligkeit für Oxidation. Das könnte die Eignung des Materials für bestimmte elektronische Anwendungen beeinträchtigen. Diesen Punkt betrachten die Forschenden deshalb genauer. Die Entwicklung hochreiner Vorläuferstoffe, die Anwendung von Schutzbeschichtungen oder innovative Herstellungstechniken könnten hier einen Beitrag leisten. Trotz dieser Herausforderung bleibt das Potenzial von AlYN für die Halbleiterindustrie groß. Die Forschung an diesem innovativen Material könnte zu deutlichen Fortschritten in der Elektronik führen und den Weg für energieeffizientere und leistungsfähigere Technologien ebnen.
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