Forskare vid Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF har uppnått vad som tidigare ansågs omöjligt:​​De är de första i världen som har lyckats tillverka aluminiumskandiumnitrid (AlScN) via metall-organisk kemisk ångdeposition (MOCVD). Enheter baserade på AlScN anses vara nästa generations kraftelektronik. Med detta genombrott, Fraunhofer IAF tar ett avgörande steg mot sitt mål att utveckla kraftelektronik baserad på AlScN-transistorer för industriella applikationer.

Transistorer baserade på AlScN är lovande för olika industriella tillämpningar, såsom dataöverföring, satellitkommunikation, radarsystem eller autonom körning, speciellt eftersom nuvarande enheter baserade på kisel (Si) når sin fysiska gräns i dessa applikationer. En anledning till detta är storleken på Si-enheter, som inte kan minskas längre enligt det aktuella forskningsläget. Om de ständigt ökande mängderna data måste bearbetas med nuvarande Si-teknik, serverrummen skulle uppta en så stor yta att det skulle vara ekonomiskt och ekologiskt ohållbart. Så kallade HEMT:er (transistorer med hög elektronmobilitet) överträffar Si-enheternas möjligheter vida. Nyckeln till framgången för HEMT-strukturer ligger i materialen de är baserade på. AlScN har exceptionella egenskaper, tillåter högre bärarkoncentrationer än andra material. I framtiden, betydligt mer kraftfulla och effektiva HEMT:er kommer att realiseras baserat på AlScN.

Tidigare tillverkningsprocesser har misslyckats på grund av kvalitet och produktivitet

Produktionen av AlScN innebär grundläggande utmaningar. Den toppmoderna produktionsprocessen odlar AlScN-skikt via sputtering. Tyvärr, kvaliteten på dessa lager är otillräcklig för elektroniska applikationer som lysdioder och högeffekttransistorer. En alternativ metod är att producera AlScN via molekylär strålepitaxi (MBE). Med denna process, stora mängder skandium kan införlivas i föreningen. Kvaliteten är också tillräcklig för produktion av mikroelektroniska enheter. Dock, proceduren är mycket komplex och produktiviteten för låg för produktion i industriell skala.

Metallorganisk kemisk ångavsättning lovar produktion av industriell kvalitet

Produktionen av AlScN via MOCVD lovar inte bara den nödvändiga kvaliteten, men också tillräcklig produktivitet för industriella tillämpningar. "Vi visste att tidigare försök från andra forskare att producera galliumskandiumnitrid via MOCVD hade misslyckats. Vi vet också att många forskare över hela världen arbetar med att utveckla AlScN-transistorer, men ingen före oss har lyckats göra det genom att använda MOCVD, även om det är ett mycket lovande tillvägagångssätt för industrin, " förklarar Dr Stefano Leone, gruppledare på Fraunhofer IAF. Under MOCVD-proceduren leds gaser över en uppvärmd wafer. Genom värmeexponeringen frigörs distinkta molekyler från gasen och integreras i skivans kristallina struktur. Kristallstrukturen kan justeras exakt genom att reglera gasflödet, temperatur och tryck. Vidare, det snabba bytet av gas gör det möjligt att växa olika materiallager ovanpå varandra.

Fraunhofer IAF uppnår nyhet

Utmaningen för forskarna vid Fraunhofer IAF:det finns ingen gaskälla för skandium. Molekylerna (prekursorerna) för skandium är mycket stora och svåra att föra in i gasfasen. "Vi studerade bästa möjliga prekursor för skandium och planerade justeringar av vår MOCVD-reaktor för det nödvändiga förfarandet. Vi gjorde mycket forskning och hade många diskussioner tills vi utvecklade en uppsättning som vi nu till och med patenterar. Vi har nu lyckats växa AlScN lager via MOCVD med mycket hög kristallkvalitet och rätt mängd skandium för att utveckla nästa generations krafttransistorer, säger Leone, nöjd med prestationen. MOCVD-systemet vid Fraunhofer IAF har modifierats av forskargruppen för att möjliggöra en högkvalitativ och reproducerbar AlScN-produktionsprocess.

Första AlScN-skikt för transistorer från MOCVD

Efter den framgångsrika deponeringen av AlScN i MOCVD-systemet, de första AlScN-skikten för transistorer producerades. Skikten når redan lovande resultat med ett arkmotstånd på ~200 ohm/kvadrat. en rörlighet på ~600 cm ² /Vs och en laddningsbärardensitet på ~4,0 x 10 ¹³ centimeter ^-2 . Det nuvarande målet för forskarna är att minska plåtmotståndet och att ytterligare öka rörligheten och materialkvaliteten. Detta kommer att förbättra prestandan för framtida transistorer och Fraunhofer IAF kommer att ta ett betydande steg mot sitt mål att tillhandahålla AlScN HEMTs för industriella kraftelektroniktillämpningar.