Verdens første produktion af aluminium scandium nitrid via MOCVD

Forskere ved Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF har opnået, hvad der tidligere blev anset for umuligt:​​De er de første i verden, der har formået at fremstille aluminium scandium nitrid (AlScN) via metal-organisk kemisk dampudfældning (MOCVD). Enheder baseret på AlScN anses for at være den næste generation af kraftelektronik. Med dette gennembrud, Fraunhofer IAF tager et afgørende skridt mod sit mål om at udvikle effektelektronik baseret på AlScN-transistorer til industrielle applikationer.

Transistorer baseret på AlScN er lovende til forskellige industrielle anvendelser, såsom dataoverførsel, satellitkommunikation, radarsystemer eller autonom kørsel, især da nuværende enheder baseret på silicium (Si) når deres fysiske grænse i disse applikationer. En grund til dette er størrelsen af ​​Si-enheder, som ikke kan reduceres mere i henhold til den aktuelle forskningstilstand. Hvis de stadigt stigende mængder af data skulle behandles med den nuværende Si-teknologi, serverrummene ville optage så stort et areal, at det ville være økonomisk og økologisk uholdbart. Såkaldte HEMT'er (transistorer med høj elektronmobilitet) overgår mulighederne for Si-enheder langt. Nøglen til succes med HEMT-strukturer ligger i de materialer, de er baseret på. AlScN har exceptionelle egenskaber, tillader højere bærerkoncentrationer end andre materialer. I fremtiden, væsentligt mere kraftfulde og effektive HEMT'er vil blive realiseret baseret på AlScN.

Tidligere fremstillingsprocesser har fejlet på grund af kvalitet og produktivitet

Produktionen af ​​AlScN indebærer grundlæggende udfordringer. Den state-of-the-art produktionsproces dyrker AlScN-lag via sputtering. Desværre, kvaliteten af ​​disse lag er utilstrækkelig til elektroniske applikationer som LED'er og højeffekttransistorer. En alternativ metode er at producere AlScN via molekylær stråleepitaksi (MBE). Med denne proces, høje mængder scandium kan inkorporeres i forbindelsen. Kvaliteten er også tilstrækkelig til produktion af mikroelektroniske enheder. Imidlertid, proceduren er meget kompleks, og produktiviteten for lav til produktioner i industriel skala.

Metalorganisk kemisk dampaflejring lover produktion i industriel kvalitet

Produktionen af ​​AlScN via MOCVD lover ikke kun den nødvendige kvalitet, men også tilstrækkelig produktivitet til industrielle anvendelser. "Vi vidste, at tidligere forsøg fra andre videnskabsmænd på at producere gallium scandium nitrid via MOCVD var mislykkedes. Vi ved også, at mange videnskabsmænd over hele verden arbejder på at udvikle AlScN transistorer, men ingen før os har haft held med at gøre det ved at bruge MOCVD, selvom det er en meget lovende tilgang for industrien, " forklarer Dr. Stefano Leone, gruppeleder hos Fraunhofer IAF. Under MOCVD-proceduren ledes gasser hen over en opvarmet wafer. Gennem varmeeksponeringen frigives forskellige molekyler fra gassen og integreres i waferens krystallinske struktur. Krystalstrukturen kan justeres præcist ved at regulere gasstrømmen, temperatur og tryk. Desuden, det hurtige skift af gas gør det muligt at vokse forskellige materialelag oven på hinanden.

Fraunhofer IAF opnår nyhed

Udfordringen for forskerne ved Fraunhofer IAF:der er ingen gaskilde til skandium. Molekylerne (prækursorerne) til scandium er meget store og svære at bringe ind i gasfasen. "Vi studerede den bedst mulige forløber for scandium og planlagde justeringer af vores MOCVD-reaktor til den nødvendige procedure. Vi lavede en masse research og havde talrige diskussioner, indtil vi udviklede et setup, som vi nu endda patenterer. Det er nu lykkedes os at dyrke AlScN lag via MOCVD med en meget høj krystalkvalitet og den rigtige mængde scandium for at udvikle den næste generation af krafttransistorer, " siger Leone, tilfreds med præstationen. MOCVD-systemet hos Fraunhofer IAF er blevet modificeret af forskergruppen for at muliggøre en højkvalitets og reproducerbar AlScN-produktionsproces.

Første AlScN-lag til transistorer fra MOCVD

Efter den vellykkede deponering af AlScN i MOCVD-systemet, de første AlScN-lag til transistorer blev produceret. Lagene når allerede lovende resultater med en plademodstand på ~200 ohm/sq., en mobilitet på ~600 cm ² /Vs og en ladningsbærertæthed på ~4,0 x 10 ¹³ cm ^-2 . Det nuværende mål for forskerne er at reducere arkmodstanden og at øge mobiliteten og materialekvaliteten yderligere. Dette vil forbedre ydeevnen af ​​fremtidige transistorer, og Fraunhofer IAF vil tage et væsentligt skridt hen imod sit mål om at levere AlScN HEMT'er til industrielle kraftelektroniske applikationer.