Нитрид иттрия алюминия (AlYN) привлек интерес многих исследовательских групп по всему миру благодаря своим выдающимся свойствам материала. Однако выращивание материала оказалось серьезной проблемой. До сих пор AlYN можно было наносить только методом магнетронного распыления. Исследователям Института прикладной физики твердого тела им. Фраунгофера IAF удалось изготовить новый материал с использованием технологии металлоорганического химического осаждения из паровой фазы (MOCVD), что позволяет разрабатывать новые разнообразные приложения.
“Наше исследование представляет собой важную веху в разработке новых полупроводниковых структур. AlYN — это материал, обеспечивающий повышенную производительность при минимальном потреблении энергии, прокладывающий путь для инноваций в электронике, в которых остро нуждается наше цифровое общество и его постоянно растущие технологические запросы ”, — говорит доктор Стефано Леоне, научный сотрудник Fraunhofer IAF в области эпитаксии. Благодаря своим многообещающим свойствам AlYN может стать ключевым материалом для будущих технологических инноваций.
Недавние исследования уже продемонстрировали свойства материала AlYN, такие как сегнетоэлектричество. При разработке нового составного полупроводника исследователи из Fraunhofer IAF сосредоточились в первую очередь на его способности адаптироваться к нитриду галлия (GaN): структура решетки AlYN может быть оптимально адаптирована к GaN, а гетероструктура AlYN / GaN обещает значительные преимущества для разработки электроники, ориентированной на будущее.
От слоя к гетероструктуре
В 2023 году исследовательская группа Fraunhofer IAF достигла новаторских результатов, когда ей впервые удалось нанести слой AlYN толщиной 600 нм. Слой со структурой вюрцита содержал беспрецедентную концентрацию иттрия — более 30 процентов. Теперь исследователи добились еще одного прорыва: они изготовили гетероструктуры AlYN / GaN с точно регулируемой концентрацией иттрия, которые характеризуются превосходным структурным качеством и электрическими свойствами. Новые гетероструктуры имеют концентрацию иттрия до 16 процентов. Группа структурного анализа, возглавляемая доктором Лутцем Кирсте, продолжает проводить детальные анализы для дальнейшего понимания структурных и химических свойств AlYN.
Исследователи Fraunhofer уже измерили очень многообещающие электрические свойства AlYN, которые представляют интерес для использования в электронных компонентах. “Мы смогли наблюдать впечатляющие значения сопротивления листа, электронной плотности и подвижности электронов. Эти результаты показали нам потенциал AlYN для высокочастотной и высокопроизводительной электроники ”, — сообщает Леоне.
Гетероструктуры AlYN/GaN для высокочастотных применений
Благодаря вюрцитовой кристаллической структуре AlYN может быть очень хорошо адаптирован к вюрцитовой структуре нитрида галлия подходящего состава. Гетероструктура AlYN / GaN обещает обеспечить разработку полупроводниковых компонентов с улучшенными характеристиками и надежностью. Кроме того, AlYN обладает способностью индуцировать двумерный электронный газ (2DEG) в гетероструктурах. Последние результаты исследований Fraunhofer IAF показывают оптимальные свойства 2DEG в гетероструктурах AlYN / GaN при концентрации иттрия около 8 процентов.
Результаты характеристики материала также показывают, что AlYN может быть использован в транзисторах с высокой подвижностью электронов (HEMT). Исследователи наблюдали значительное увеличение подвижности электронов при низких температурах (более 3000 см2/Против при 7 К). Команда уже добилась значительного прогресса в демонстрации эпитаксиальной гетероструктуры, необходимой для изготовления, и продолжает изучать новый полупроводник для разработки HEMTs.
Исследователи также с оптимизмом смотрят на промышленное применение: используя гетероструктуры AlYN / GaN, выращенные на 4-дюймовых подложках из SiC, они продемонстрировали масштабируемость и структурную однородность гетероструктур. Успешное создание слоев AlYN в коммерческом MOCVD-реакторе позволяет масштабировать производство до более крупных подложек в более крупных MOCVD-реакторах. Этот метод считается наиболее производительным для изготовления полупроводниковых структур большой площади и подчеркивает потенциал AlYN для массового производства полупроводниковых устройств.
Разработка энергонезависимой памяти
Благодаря своим сегнетоэлектрическим свойствам AlYN отлично подходит для разработки приложений с энергонезависимой памятью. Еще одним важным преимуществом является то, что материал не имеет ограничений по толщине слоя. Поэтому исследовательская группа Fraunhofer IAF поощряет дальнейшие исследования свойств слоев AlYN для энергонезависимой памяти, поскольку память на основе AlYN может стать основой устойчивых и энергоэффективных решений для хранения данных. Это особенно актуально для центров обработки данных, которым приходится справляться с экспоненциальным ростом вычислительных мощностей для искусственного интеллекта и которые имеют значительно более высокое энергопотребление.
Проблема окисления
Основным препятствием для промышленного использования AlYN является его подверженность окислению, что влияет на его пригодность для определенных электронных применений. “В будущем будет важно изучить стратегии снижения или преодоления окисления. Этому может способствовать разработка высокочистых прекурсоров, использование защитных покрытий или инновационных технологий производства. Подверженность AlYN окислению является серьезной исследовательской проблемой, требующей сосредоточения исследовательских усилий на областях с наибольшими шансами на успех ”, — заключает Леоне.