Istraživači sa Fraunhofer IAF-a napravili su proboj u oblasti poluprovodničkih materijala: sa aluminijum-itrijum nitridom (AlIN), uspeli su da proizvedu i karakterišu novi i obećavajući poluprovodnički materijal koristeći MOCVD proces.
Zbog svojih odličnih svojstava materijala i njegove prilagodljivosti galijum nitridu (GaN), AlIN ima ogroman potencijal za upotrebu u energetski efikasnoj elektronici visokih frekvencija i visokih performansi za informacione i komunikacione tehnologije.
Aluminijum itrijum nitrid (AlIN) je privukao interesovanje mnogih istraživačkih grupa širom sveta zbog svojih izvanrednih svojstava materijala. Međutim, rast materijala je bio veliki izazov. Do sada je AlIN mogao da se deponuje samo magnetronskim raspršivanjem.
Istraživači sa Fraunhofer instituta za primenjenu fiziku čvrstog stanja IAF sada su uspeli da proizvedu novi materijal koristeći tehnologiju metal-organskog hemijskog taloženja pare (MOCVD), čime su omogućili razvoj novih, raznovrsnih primena.
„Naše istraživanje predstavlja prekretnicu u razvoju novih poluprovodničkih struktura. AlIN je materijal koji omogućava povećane performanse uz minimiziranje potrošnje energije, utirući put inovacijama u elektronici koje su hitno potrebne našem digitalno povezanom društvu i njegovoj sve većoj tehnologiji“, kaže dr Stefano Leone, naučnik na Fraunhofer IAF u oblasti epitaksije.
Sa svojim obećavajućim svojstvima materijala, AlIN bi mogao postati ključni materijal za buduće tehnološke inovacije.
Nedavna istraživanja su već pokazala svojstva materijala AlIN, kao što je feroelektricitet. U razvoju novog jedinjenja poluprovodnika, istraživači sa Fraunhofer IAF fokusirali su se prvenstveno na njegovu prilagodljivost galijum nitridu (GaN): Struktura rešetke AlIN može biti optimalno prilagođena GaN, a heterostruktura AlIN/GaN obećava značajne prednosti za razvoj budućnosti. orijentisana elektronika.
Godine 2023. istraživačka grupa Fraunhofer IAF postigla je revolucionarne rezultate kada je po prvi put uspela da deponuje AlIN sloj debljine 600 nm. Sloj sa strukturom vircita sadržao je neviđenu koncentraciju itrijuma veću od 30%.
Sada su istraživači postigli još jedan napredak: proizveli su AlIN/GaN heterostrukture sa precizno podesivom koncentracijom itrijuma, koje se odlikuju odličnim kvalitetom strukture i električnim svojstvima. Nove heterostrukture imaju koncentraciju itrijuma do 16%. Istraživanje je objavljeno u časopisu APL Materials.
Grupa za strukturnu analizu, koju vodi dr Lutz Kirste, nastavlja da obavlja detaljne analize kako bi unapredila razumevanje strukturnih i hemijskih osobina AlIN-a.
Fraunhoferovi istraživači su već izmerili veoma obećavajuća električna svojstva AlIN-a koja su od interesa za upotrebu u elektronskim komponentama. „Uspeli smo da primetimo impresivne vrednosti za otpornost ploča, gustinu elektrona i pokretljivost elektrona. Ovi rezultati su nam pokazali potencijal AlIN-a za elektroniku visokih frekvencija i visokih performansi“, izveštava Leone.
Zbog svoje kristalne strukture vurcita, AlIN se može veoma dobro prilagoditi strukturi vircita galijum nitrida sa odgovarajućim sastavom. AlIN/GaN heterostruktura obećava da će omogućiti razvoj poluprovodničkih komponenti sa poboljšanim performansama i pouzdanošću.
Pored toga, AlIN ima sposobnost da indukuje dvodimenzionalni elektronski gas (2DEG) u heterostrukturama. Nedavni rezultati istraživanja Fraunhofer IAF pokazuju optimalna svojstva 2DEG u AlIN/GaN heterostrukturama pri koncentraciji itrijuma od oko 8%.
Rezultati karakterizacije materijala takođe pokazuju da se AlIN može koristiti u tranzistorima visoke pokretljivosti elektrona (HEMT). Istraživači su primetili značajno povećanje pokretljivosti elektrona na niskim temperaturama (više od 3000 cm²/Vs na 7 K). Tim je već postigao značajan napredak u demonstriranju epitaksijalne heterostrukture potrebne za proizvodnju i nastavlja da istražuje novi poluprovodnik za razvoj HEMT-a.
Istraživači su takođe optimistični u pogledu industrijskih primena: Koristeći AlIN/GaN heterostrukture uzgajane na 4-inčnim SiC podlogama, pokazali su skalabilnost i strukturnu uniformnost heterostruktura. Uspešno stvaranje AlIN slojeva u komercijalnom MOCVD reaktoru omogućava skaliranje do većih supstrata u većim MOCVD reaktorima.
Ovaj metod se smatra najproduktivnijim za proizvodnju poluprovodničkih struktura velike površine i naglašava potencijal AlIN-a za masovnu proizvodnju poluprovodničkih uređaja.
Zbog svojih feroelektričnih svojstava, AlIN je veoma pogodan za razvoj aplikacija za stalnu memoriju. Još jedna važna prednost je što materijal nema ograničenja u debljini sloja. Stoga, istraživački tim na Fraunhofer IAF-u podstiče dalje istraživanje svojstava AlIN slojeva za nepromenljive memorije, pošto memorije zasnovane na AlIN-u mogu pokretati održiva i energetski efikasna rešenja za skladištenje podataka.
Ovo je posebno relevantno za centre podataka, koji moraju da se nose sa eksponencijalnim rastom računarskih kapaciteta za veštačku inteligenciju i imaju znatno veću potrošnju energije.
Glavna prepreka industrijskoj upotrebi AlIN-a je njegova podložnost oksidaciji, što utiče na njegovu pogodnost za određene elektronske aplikacije.
„U budućnosti će biti važno istražiti strategije za smanjenje ili prevazilaženje oksidacije. Razvoj prekursora visoke čistoće, upotreba zaštitnih premaza ili inovativne proizvodne tehnike mogli bi da doprinesu tome.“
„Podložnost AlIN-a oksidaciji je veliki istraživački izazov kako bi se osiguralo da su istraživački napori fokusirani na područja sa najvećim šansama za uspeh“, zaključuje Leone.
