Vielversprechendes 2D-Material Amorphes Bornitrid als 2D-Material für Halbleiter: Fertigung ohne Oxidation, vielversprechende Leistungssprünge

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Wie schützt man empfindliche Halbleitermaterialien vor Oxidation, ohne deren Leistung zu beeinträchtigen? Forscher haben eine Lösung gefunden: amorphes Bornitrid (a-BN), das nicht nur Korrosion verhindert, sondern auch die Leistung von Halbleiterbauelementen steigert. Könnte a-BN die Elektronik der Zukunft optimieren?

Oxidation in der Halbleiterei kann problematisch sein, weil sie die Eigenschaften von Halbleitermaterialien negativ beeinflusst. Wenn etwa Metallkontakte oxidieren, steigt der elektrische Widerstand, was die Leitfähigkeit verschlechtert und die Effizienz von Bauteilen wie MOSFETs oder Dioden reduziert. Zudem können unkontrollierte Oxidationsschichten an den Oberflächen von Halbleitern zu unerwünschten Isoliereffekten führen, die die Funktion der Bauteile beeinträchtigen. Kurz gesagt: Oxidation führt zu elektrischen Verlusten, beeinträchtigt die Haltbarkeit und kann Bauteile langfristig unbrauchbar machen.

Insbesondere bei 2D-Materialien für fortgeschrittene Halbleiter, die nur ein Atom oder wenige Atome dick sind, wird die Oxidation als Problem betrachtet. Diese Materialien steuern den Fluss der Elektrizität in elektronischen Geräten, und jede Korrosion kann das Material unbrauchbar machen. Da ihre geringe Dicke den Elektronen einen kürzeren und direkteren Weg bietet, um sich schnell und mit weniger Widerstand durch das Material zu bewegen, ermöglichen sie eine schnellere und effizientere elektronische Leistung. Wie lässt sich die Sache mit der Oxidation in dem Fall lösen?

Rostfreie Beschichtung mit zusätzlichen Eigenschaften - und ohne Wasser

Forscher haben ein Syntheseverfahren entwickelt, mit dem eine „rostfreie“ Beschichtung mit zusätzlichen Eigenschaften hergestellt werden kann, die sich für die Entwicklung schnellerer und haltbarer Elektronik eignen. Das Team, das von Forschern der Penn State University geleitet wird, veröffentlichte seine Arbeit in Nature Communications.

Zu den weiteren Autoren der Studie gehören neben Robinson auch Experten der Penn State. Weitere Co-Autoren sind Wissenschaftler der National Yang Ming Chiao Tung University in Taiwan, der Purdue University, der Intel Corporation und der Kurt J. Lesker Company.

„Eines der größten Probleme bei der Erforschung von 2D-Halbleitern ist heutzutage die Tatsache, dass die Materialien schnell oxidieren“, so Joshua Robinson, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen und Mitautor der Arbeit. „Man muss ihre langfristige Zuverlässigkeit sicherstellen, denn sie werden in Transistoren oder Sensoren eingebaut, die jahrelang halten sollen. Zurzeit halten diese Materialien im Freien nicht länger als eine Woche.“

Herkömmliche Methoden zum Schutz dieser Materialien vor Rost umfassen Beschichtungen auf Oxidbasis, aber bei diesen Verfahren wird oft Wasser verwendet, das ironischerweise genau die Oxidation beschleunigen kann. Das Team suchte daher nach einem Beschichtungsmaterial und einer Methode, die ganz ohne Wasser auskommt. Die Wahl fiel auf amorphes Bornitrid (a-BN).

„Wir wollten vom Wasser in diesem Prozess wegkommen, also haben wir uns Gedanken darüber gemacht, welche Art von 2D-Materialien wir herstellen können, bei deren Verarbeitung kein Wasser verwendet wird. Amorphes Bornitrid ist eines dieser Materialien“, so Robinson.

Amorphes Bornitrid ergänzend zu Dielektrika

Diese nicht kristalline Form von Bornitrid, also a-BN, ist für ihre hohe thermische Stabilität und ihre elektrischen Isolationseigenschaften bekannt. Das qualifiziert sie für den Einsatz in Halbleitern, um Komponenten zu isolieren, unerwünschte elektrische Ströme zu verhindern und die Leistung der Geräte zu verbessern, meint Robinson. Er erklärt, dass a-BN eine hohe dielektrische Festigkeit aufweist – ein Maß dafür, wie gut ein Material hohen elektrischen Feldern standhalten kann, ohne zusammenzubrechen. Dies ist ein entscheidender Faktor für eine zuverlässige Leistung.

„Die hohe Festigkeit von a-BN ist mit den besten verfügbaren Dielektrika vergleichbar, und wir benötigen kein Wasser, um es herzustellen“, sagte Robinson. „Wir zeigen in der Arbeit, dass amorphes Bornitrid die Leistung der Bauelemente verbessert, im Vergleich zu konventionellen Dielektrika allein.“ Das bedeutet, dass a-BN möglicherweise ergänzend zu anderen Dielektrika eingesetzt wird, um die Gesamteffizienz und Zuverlässigkeit des Halbleiters zu steigern. Unklar ist bisher, ob a-BN tatsächlich in allen Designs nur ergänzend genutzt wurde oder in manchen Fällen auch als primäres Dielektrikum eingesetzt werden könnte.

Zweistufige Methode

Während die Beschichtung dazu beitrug, einen besseren 2D-Transistor zu erzeugen, erwies sich die Beschichtung der 2D-Materialien als Herausforderung. Zweidimensionale Materialien haben keine „freien Bindungen“, also keine ungepaarten Elektronen an ihrer Oberfläche, die mit anderen Atomen reagieren oder sich verbinden könnten. Ein herkömmlicher Beschichtungsprozess, der in einem einzigen Schritt und bei höheren Temperaturen durchgeführt wird, führt zu ungleichmäßigen und lückenhaften Beschichtungen – und das reicht bei Weitem nicht aus, damit Elektronik zuverlässig funktioniert.

Um 2D-Materialien gleichmäßig mit a-BN zu beschichten, entwickelte das Team deswegen eine zweistufige Methode zur Atomlagenabscheidung, bei der zunächst eine dünne a-BN-„Keimschicht“ bei niedrigen Temperaturen abgeschieden wird, bevor die Kammer auf typische Abscheidungstemperaturen zwischen 250 und 300 °C aufgeheizt wird. Auf diese Weise konnten die Forscher nicht nur eine gleichmäßige a-BN-Beschichtung auf den 2D-Halbleitern erzeugen, sondern auch die Transistorleistung - je nach Transistordesign - um 30 % bis 100 % gegenüber Bauelementen ohne a-BN verbessern.

„Wenn man 2D-Halbleiter zwischen das amorphe Bornitrid legt, erhält man sozusagen eine ebene elektronische Straße, die eine verbesserte Elektronik ermöglicht“, sagt Robinson. „Die Elektronen können sich schneller durch das 2D-Material bewegen, als wenn sie sich zwischen anderen dielektrischen Materialien befinden würden.“

Trotz dieser Erkenntnisse kratzt das Team erst an der Oberfläche des Potenzials von a-BN als dielektrisches Material für Halbleiterbauelemente. „Wir haben noch Raum für Verbesserungen, auch wenn es bereits andere dielektrische Materialien übertrifft“, erklärt Robinson. „Im Moment versuchen wir vor allem, die Gesamtqualität des Materials zu verbessern und es dann in einige komplexe Strukturen zu integrieren, die man in der zukünftigen Elektronik sehen wird.“ (sb)

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