Bereit für die Fertigung Prozesskette für Aluminiumnitrid-Bauelemente geschaffen

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Aluminiumnitrid (AlN) ist vielen noch nicht so bekannt, wie beispielsweise Galliumnitrid oder Siliziumkarbid. Die Eigenschaften sind jedoch hervorragend. Eine breite Bandlücke von 6,2 eV, eine sehr hohe elektrische Isolierung und nahezu ideale thermische Eigenschaften sind nur einige der vielen Vorteile.

Einkristallines Aluminiumnitrid bietet hervorragende Eigenschaften und wird nicht nur als das ideale Material für Anwendungen in optoelektronischen Geräten, welche im ultravioletten (UV) Bereich arbeiten angesehen. Auch im Bereich der High Electron Mobility Transistoren (HEMT) oder im Bereich der Hochfrequenztechnik setzt der Ultra Wide Bandgap Halbleiter (UWBG) neue Maßstäbe. Die große Bandlücke von 6,2 eV und die hohe Wärmeleitfähigkeit von 170-230 W/mK sind überzeugende Eigenschaften. Bisher war der Einsatz von Aluminiumnitrid Bauelementen aufgrund der hohen Herstellungskosten und der Schwierigkeiten bei der Verarbeitung noch nicht wirklich rentabel. Aluminiumnitrid ist ein hartes und sprödes Material, was die Bearbeitung und Verarbeitung erschwerten. Es ist schwierig, AlN zu formen und zu bearbeiten, insbesondere in komplexe Formen oder dünne Schichten.

Da die Technologie wirtschaftlich sehr bedeutend ist, wurden die Kompetenzen in Deutschland gebündelt. Ziel ist es, eine Aluminiumnitrid Wertschöpfungskette zu schaffen. Dabei haben das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB und die Firma III/V-Reclaim PT ein strategisches Cluster gegründet. Gefördert durch das Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), im Rahmen der Projekte ForMikro-LeitBAN und Nitrides-4-6G.

Kampf ums Treppchen

Siliziumtechnologie im Wettbewerb mit SiC und GaN

Von der Kristallzucht mittels Physical-Vapor-Transport-Verfahren (PVT) bis hin zur Herstellung von Transistoren für Leistungselektronik- und Millimeterwellen-Anwendungen wurde alles abgedeckt. Nun wurde erfolgreich gezeigt, dass diese Wertschöpfungskette auch funktioniert. Es wurden Aluminiumnitrid-Wafer mit einem Durchmesser von bis zu 1,5 Zoll hergestellt und gesägt. Anschließend wurden diese poliert und durch das Aufbringen von funktionalen epitaktischen Schichten gelang es, erfolgreich AlN/GaN-Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs) herzustellen.

Die so hergestellten Transistoren erreichten dabei eine Durchbruchsspannung von bis zu 2.200 V. Dies ist besonders wichtig in Hochspannungsanwendungen, da es die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Bauteilen erhöht. Außerdem können durch die hohe Durchbruchsspannung, Bauteile kompakter und kleiner gestaltet werden.

Aluminiumnitrid im Vergleich mit Galliumnitrid, Siliziumkarbid und Silizium

AlN ist resistent gegenüber vielen chemischen Reagenzien und weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Dies macht es zu einem geeigneten Material für Anwendungen in anspruchsvollen Umgebungen, wie sie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt oder in chemischen Prozessen vorkommen. Auch dort wo hohe elektrische Isolationsfähigkeit und geringe dielektrische Verluste gefragt sind, punktet das Material. AlN kann leicht mit anderen Materialien wie Galliumarsenid oder Galliumnitrid kombiniert werden, was die Herstellung von Heterostrukturen und somit die Entwicklung von leistungsfähigeren und vielseitigeren elektronischen Bauelementen ermöglicht.  (mr)

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