Wetenschappers van het Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF hebben bereikt wat voorheen als onmogelijk werd beschouwd:ze zijn de eersten ter wereld die erin zijn geslaagd om aluminium scandiumnitride (AlScN) te produceren via metaal-organische chemische dampafzetting (MOCVD). Apparaten op basis van AlScN worden beschouwd als de volgende generatie vermogenselektronica. Met deze doorbraak Fraunhofer IAF zet een beslissende stap in de richting van haar doel om vermogenselektronica te ontwikkelen op basis van AlScN-transistoren voor industriële toepassingen.

Transistoren op basis van AlScN zijn veelbelovend voor diverse industriële toepassingen, zoals gegevensoverdracht, satelliet communicatie, radarsystemen of autonoom rijden, vooral omdat huidige apparaten op basis van silicium (Si) hun fysieke limiet in deze toepassingen bereiken. Een reden hiervoor is de grootte van Si-apparaten, die volgens de huidige stand van het onderzoek niet meer kan worden verminderd. Als de steeds grotere hoeveelheden data met de huidige Si-technologie moesten worden verwerkt, de serverruimtes zouden zo'n groot oppervlak innemen dat het economisch en ecologisch onhoudbaar zou zijn. Zogenaamde HEMT's (transistors met hoge elektronenmobiliteit) overtreffen de mogelijkheden van Si-apparaten veruit. De sleutel tot het succes van HEMT-structuren ligt in de materialen waarop ze zijn gebaseerd. AlScN heeft uitzonderlijke eigenschappen, waardoor hogere dragerconcentraties mogelijk zijn dan andere materialen. In de toekomst, aanzienlijk krachtigere en efficiëntere HEMT's zullen worden gerealiseerd op basis van AlScN.

Eerdere productieprocessen zijn mislukt vanwege kwaliteit en productiviteit

De productie van AlScN brengt fundamentele uitdagingen met zich mee. Het state-of-the-art productieproces laat AlScN-lagen groeien via sputteren. Helaas, de kwaliteit van deze lagen is onvoldoende voor elektronische toepassingen zoals LED's en hoogvermogentransistoren. Een alternatieve methode is om AlScN te produceren via moleculaire bundelepitaxie (MBE). Met dit proces, grote hoeveelheden scandium kunnen in de verbinding worden opgenomen. De kwaliteit is ook voldoende voor de productie van micro-elektronische apparaten. Echter, de procedure is zeer complex en de productiviteit te laag voor producties op industriële schaal.

Metaal-organische chemische dampafzetting belooft productie van industriële kwaliteit

De productie van AlScN via MOCVD belooft niet alleen de nodige kwaliteit, maar ook voldoende productiviteit voor industriële toepassingen. "We wisten dat eerdere pogingen van andere wetenschappers om galliumscandiumnitride te produceren via MOCVD waren mislukt. We weten ook dat veel wetenschappers over de hele wereld werken aan de ontwikkeling van AlScN-transistoren, maar niemand voor ons is erin geslaagd om het te doen met behulp van MOCVD, ook al is het een veelbelovende aanpak voor de industrie, " legt Dr. Stefano Leone uit, groepsleider bij Fraunhofer IAF. Tijdens de MOCVD-procedure worden gassen over een verwarmde wafer geleid. Door de warmteblootstelling komen verschillende moleculen vrij uit het gas en geïntegreerd in de kristallijne structuur van de wafel. De kristalstructuur kan nauwkeurig worden aangepast door de gasstroom te regelen, temperatuur en druk. Verder, de snelle gaswisseling maakt het mogelijk om verschillende materiaallagen op elkaar te laten groeien.

Fraunhofer IAF bereikt nieuwigheid

De uitdaging voor de onderzoekers van Fraunhofer IAF:er is geen gasbron voor scandium. De moleculen (precursoren) voor scandium zijn erg groot en moeilijk in de gasfase te brengen. "We hebben de best mogelijke voorloper voor scandium bestudeerd en aanpassingen van onze MOCVD-reactor gepland voor de noodzakelijke procedure. We hebben veel onderzoek gedaan en talloze discussies gevoerd totdat we een opstelling ontwikkelden die we nu zelfs patenteren. We zijn er nu in geslaagd om AlScN te laten groeien lagen via MOCVD met een zeer hoge kristalkwaliteit en de juiste hoeveelheid scandium om de volgende generatie vermogenstransistors te ontwikkelen, " zegt Leone, blij met de prestatie. Het MOCVD-systeem bij Fraunhofer IAF is door de onderzoeksgroep aangepast om een ​​hoogwaardig en reproduceerbaar AlScN-productieproces mogelijk te maken.

Eerste AlScN-lagen voor transistors uit de MOCVD

Na de succesvolle depositie van AlScN in het MOCVD-systeem, de eerste AlScN-lagen voor transistors werden geproduceerd. De lagen bereiken al veelbelovende resultaten met een plaatweerstand van ~200 ohm/sq., een mobiliteit van ~600 cm ² /Vs en een ladingsdragerdichtheid van ~4,0 x 10 ¹³ cm ^-2 . Het huidige doel van de wetenschappers is om de plaatweerstand te verminderen en de mobiliteit en materiaalkwaliteit verder te verhogen. Dit zal de prestaties van toekomstige transistors verbeteren en Fraunhofer IAF zal een belangrijke stap zetten in de richting van zijn doel om AlScN HEMT's te leveren voor industriële vermogenselektronische toepassingen.