Fraunhofer IAF / Leistungshalbleiter Aluminiumscandiumnitrid erstmals per MOCVD hergestellt

Die AlScN-Schichten weisen eine sehr hohe Kristallqualität und die richtige Menge an Scandium auf. Damit wollen die Forscher die nächste Generation von elektronischen Leistungstransistoren entwickeln.
Die AlScN-Schichten weisen eine sehr hohe Kristallqualität und die richtige Menge an Scandium auf. Damit wollen die Forscher die nächste Generation von elektronischen Leistungstransistoren entwickeln.

HEMT-Bauelemente auf der Basis von AlScN gelten als die nächste Generation der Leistungselektronik. Nun ist Forschern des Fraunhofer IAF das bislang Unmögliche gelungen – die Herstellung dieses Materials per metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD).

Bauelemente auf der Basis von Silizium stoßen bei Anwendungen wie Datenübertragung, Satellitenkommunikation sowie Radarsysteme oder autonomes Fahren immer häufiger an ihre physikalischen Grenzen. Siliziumbauelemente lassen sich kaum mehr verkleinern, als es der aktuelle Stand der Forschung zulässt. Und wären die immer weiter steigenden Datenmengen mit der aktuellen Siliziumtechnologie zu verarbeiten, würden die Serverräume eine solch große Fläche einnehmen, die wirtschaftlich und ökologisch nicht vertretbar wäre.

Sogenannte HEMTs (High Electron Mobility Transistors) übertreffen die Möglichkeiten der Siliziumbauteile um ein Vielfaches. Entscheidend für den Erfolg der HEMT-Strukturen sind die Eigenschaften der ihnen zugrundeliegenden Materialien. Aluminiumscandiumnitrid (AlScN) besitzt hervorragende Eigenschaften, die höhere Ladungsträgerkonzentrationen ermöglichen als andere Materialien. Zukünftig sollen mit AlScN deutlich leistungsstärkere und effizientere HEMTs realisiert werden.

Die Herstellung von AlScN birgt jedoch entscheidende Herausforderungen. Nach dem Stand der Technik lassen sich Schichten aus AlScN mittels Sputtern herstellen. Allerdings reicht die Qualität dieser Schichten für elektronische Anwendungen nicht aus. Alternativ lässt sich AlScN per Molekularstrahlepitaxie (Molecular Beam Epitaxy, MBE) aufwachsen. Mit diesem Verfahren können hohe Scandium-Anteile in der Verbindung erhalten werden. Auch die Qualität reicht für die Herstellung mikroelektronischer Bauelemente aus. Jedoch ist das Verfahren aufwendig und die Produktivität bei diesem Verfahren zu gering, um es industriell einsetzen zu können.         

AlScN per metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (Metal-Organic Chemical Vapour Deposition, MOVCD) herzustellen verspricht sowohl eine für industrielle Anwendungen ausreichende Qualität sowie Produktivität. Bei diesem Verfahren wird Gas über einen beheizten Wafer geleitet. Durch die Wärmeeinwirkung werden bestimmte Moleküle aus dem Gas freigesetzt, die sich in die Kristallstruktur des Wafers einbauen. Durch Regulieren des Gasstroms, der Temperatur und des Drucks lässt sich die Zusammensetzung des Kristalls präzise einstellen, und durch den schnellen Austausch der Gase lassen sich unterschiedliche Materialschichten übereinander aufwachsen.

»Wir wussten, dass Forscher in der Vergangenheit versucht hatten, Galliumscandiumnitrid mittels MOCVD herzustellen, aber erfolglos blieben. Wir wissen auch, dass viele Forscher weltweit daran arbeiten, AlScN-Transistoren zu entwickeln, aber vor uns hat es niemand mittels MOCVD geschafft, obwohl dies ein vielversprechender Weg für die Industrie sein könnte«, erklärt Stefano Leone, Gruppenleiter am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF.

Die Herausforderung für die Forscher des Fraunhofer IAF: Es gibt kein Gas für Scandium. Die Moleküle (Präkursoren) für Scandium sind sehr groß und schwer in die Gasphase zu bringen. »Wir haben untersucht, was der beste Vorläufer für Scandium sein könnte, und überlegt, wie wir unseren MOCVD-Reaktor für die notwendigen Prozesse umbauen könnten. Wir haben viel recherchiert und diskutiert und schließlich ein Setup entwickelt. Letztendlich haben wir es geschafft, AlScN-Schichten per MOCVD mit sehr hoher Kristallqualität und der richtigen Menge an Scandium zu züchten, um die nächste Generation von elektronischen Leistungstransistoren zu entwickeln«, freut sich Leone über die erbrachten Leistungen.

Nach der erfolgreichen Abscheidung des AlScN in der MOCVD-Anlage gelang auch die Herstellung der ersten Schichten für Transistoren. Mit einem Flächenwiderstand von etwa 200 Ω/sq., einer Elektronenbeweglichkeit von etwa 600 cm²/Vs und einer Ladungsträgerdichte von etwa 4,0 × 1013 cm–2 erreichen diese Schichten bereits vielversprechende Ergebnisse.

Die Ziele der Forscher sind es nun, den Widerstand zu verringern, die Beweglichkeit zu erhöhen und die Materialqualität weiter zu optimieren. So soll die Leistungsfähigkeit von zukünftigen Transistoren noch weiter verbessert werden und das Fraunhofer IAF damit dem Ziel näherkommen, AlScN-HEMTs für die leistungselektronischen Anwendungen der Industrie bereitzustellen.