Halbleiterforschung Neues Halbleitermaterial: AlYN verspricht energieeffizientere Elektronik

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Aluminium-Yttriumnitrid heißt der neue Halbleiter, der enormes Potenzial für energieeffiziente Hochfrequenz- und Hochleistungselektronik für Informations- und Kommunikationstechnologien verspricht. Wissenschaftlern am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik ist jetzt ein Durchbruch bei der Herstellung gelungen, die auch für die Großserienproduktion geeignet ist.

Aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften ist Aluminium-Yttriumnitrid (AlYN) für verschiedene Forschungsgruppen weltweit interessant. Die Herstellung war bisher jedoch eine große Herausforderung. Bislang ist es nur gelungen, AlYN mit dem Sputter-Verfahren abzuscheiden, das zu den PVD-Technik zählt (physikalische Dampfabscheidung, physical vapour deposition).

Forschende des Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) haben es geschafft, AlYN mithilfe des kostengünstigeren MOCVD-Verfahrens (metallorganische chemische Gasphasenabscheidung) herzustellen. Damit lassen sich nach Angaben der Forscher neue und vielfältigere Anwendungen erschließen.

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„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 Dr. Stefano Leone, Wissenschaftler am Fraunhofer IAF im Bereich Epitaxie. Aufgrund seiner vielversprechenden Materialeigenschaften könne AlYN zu einem Schlüsselmaterial für zukünftige technologische Innovationen werden, davon ist er überzeugt.

Jüngste Forschungen hatten bereits Eigenschaften von AlYN wie Ferroelektrizität nachgewiesen. Die Forschenden am IAF konzentrierten sich bei der Entwicklung des neuen Verbindungshalbleiters vor allem auf dessen Anpassungsfähigkeit an Galliumnitrid (GaN): Die Gitterstruktur von AlYN lässt sich optimal an die von GaN anpassen und die AlYN/GaN-Heterostruktur verspricht wesentliche Vorteile für die Entwicklung zukunftsweisender Elektronik.

Von der AlYN-Schicht zur AlYN/GaN-Heterostruktur

Im Jahr 2023 hat die Forschungsgruppe bereits bahnbrechende Ergebnisse erzielt, als es ihnen erstmals gelang, eine 600 nm dicke AlYN-Schicht abzuscheiden. Die Schicht mit Wurtzit-Struktur enthielt eine bis dato unerreichte Yttrium-Konzentration von über 30 Prozent.

Nun gelang den Forschenden ein weiterer Durchbruch: Sie haben AlYN/GaN-Heterostrukturen mit präzise einstellbarer Yttrium-Konzentration erzeugt, die sich durch hervorragende elektrische Eigenschaften und eine homogene Struktur auszeichnen sollen. Die Yttrium-Konzentration in den Heterostrukturen reichen bis zu 16 Prozent. Unter der Leitung von Dr. Lutz Kirste führt die Gruppe für Strukturanalyse weitere detaillierte Analysen durch, um die Feinstruktur und die chemischen Eigenschaften von AlYN besser zu verstehen.

Die Wissenschaftler konnten bereits äußerst vielversprechende und für den Einsatz in elektronischen Bauteilen interessante elektrische Eigenschaften von AlYN messen. „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“, berichtet Leone.

AlYN/GaN-Heterostrukturen für Hochfrequenzanwendungen

Dank seiner Wurtzit-Struktur lässt sich AlYN bei geeigneter Zusammensetzung sehr gut an die Wurtzit-Struktur von Galliumnitrid anpassen. Eine AlYN/GaN-Heterostruktur verspricht die Entwicklung von Halbleiterbauelementen mit verbesserter Leistung und Zuverlässigkeit. Zudem besitzt AlYN die Fähigkeit zur Induktion eines zweidimensionalen Elektronengases (2DEG) in Heterostrukturen. Neueste Forschungsergebnisse des Fraunhofer IAF zeigen optimale 2DEG-Eigenschaften in AlYN/GaN-Heterostrukturen bei einer Yttrium-Konzentration von etwa 8 Prozent.

AlYN/GaN: Potenzial für HEMTs

Die Ergebnisse aus der Materialcharakterisierung zeigen auch, dass AlYN in Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs) eingesetzt werden kann. Die Wissenschaftler konnten einen signifikanten Anstieg der Elektronenbeweglichkeit bei niedrigen Temperaturen beobachten (mehr als 3000 cm2/Vs bei 7 K). Das Team hat bereits bedeutende Fortschritte bei der Demonstration der epitaktischen Heterostruktur erzielt, die für die Herstellung erforderlich ist, und erforscht den neuen Halbleiter weiter im Hinblick auf die Herstellung von HEMTs.

Auch für die industrielle Nutzung können die Forschenden eine positive Prognose wagen: Bei AlYN/GaN-Heterostrukturen, die auf 4-Zoll-SiC-Substraten gewachsen sind, konnten sie eine Skalierbarkeit und strukturelle Gleichmäßigkeit der Heterostrukturen demonstrieren. 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 produktivste für die Herstellung großflächiger Halbleiterstrukturen und unterstreicht das Potenzial von AlYN für die Großserienfertigung von Halbleiterbauelementen.

AlYN/GaN für nichtflüchtige Speicher

Aufgrund seiner ferroelektrischen Eigenschaften eignet sich AlYN in hohem Maße für die Entwicklung nichtflüchtiger Speicheranwendungen. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass die Schichtdicke nicht begrenzt ist. Daher regt das Forschungsteam an, die Eigenschaften von AlYN-Schichten für nichtflüchtige Speicher weiter zu erforschen, da AlYN-basierte Speicher nachhaltige und energieeffiziente Datenspeicherlösungen vorantreiben könnten. Dies ist besonders relevant für Rechenzentren, die zur Bewältigung des exponentiellen Anstiegs der Rechenkapazität für künstliche Intelligenz eingesetzt werden und einen deutlich höheren Energieverbrauch aufweisen.

Die Herausforderung: Die Oxidationsanfälligkeit von AlYN

Eine wesentliche Hürde für die industrielle Nutzung von AlYN ist seine Oxidationsanfälligkeit, die die Eignung des Verbindungshalbleiters für bestimmte elektronische Anwendungen beeinträchtigen. „In Zukunft wird es wichtig sein, Strategien zur Minderung oder Überwindung der Oxidation zu erforschen. Dazu könnten die Entwicklung hochreiner Vorläuferstoffe, die Anwendung von Schutzbeschichtungen oder innovative Herstellungstechniken beitragen. Die Oxidationsanfälligkeit von AlYN stellt eine große Herausforderung für die Forschung dar, um sicherzustellen, dass die Forschungsanstrengungen auf die Bereiche mit den größten Erfolgsaussichten konzentriert werden“, folgert Leone.(kr)

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