Первое в мире производство нитрида алюминия-скандия методом MOCVD.

28 октября 2019 г.

Дженнифер Фанк, Fraunhofer-Gesellschaft

Ученые из Института прикладной физики твердого тела Фраунгофера IAF достигли того, что раньше считалось невозможным: они первыми в мире сумели произвести нитрид алюминия-скандия (AlScN) методом металлоорганического химического осаждения из паровой фазы (MOCVD). Устройства на основе AlScN считаются следующим поколением силовой электроники. Благодаря этому прорыву компания Fraunhofer IAF делает решительный шаг к своей цели по разработке силовой электроники на основе транзисторов AlScN для промышленного применения.

Транзисторы на основе AlScN перспективны для различных промышленных применений, таких как передача данных, спутниковая связь, радиолокационные системы или автономное вождение, тем более что современные устройства на основе кремния (Si) достигают своего физического предела в этих приложениях. Одной из причин этого является размер Si-устройств, который больше не может быть уменьшен в соответствии с текущим состоянием исследований. Если бы постоянно растущие объемы данных приходилось обрабатывать с помощью нынешней технологии Si, серверные помещения занимали бы такую ​​большую площадь, что это было бы экономически и экологически неустойчиво. Так называемые HEMT (транзисторы с высокой подвижностью электронов) намного превосходят возможности Si-устройств. Ключ к успеху HEMT-структур заключается в материалах, на которых они основаны. AlScN обладает исключительными свойствами, позволяющими использовать более высокие концентрации носителей, чем другие материалы. В будущем на базе AlScN будут реализованы значительно более мощные и эффективные HEMT.

Предыдущие производственные процессы потерпели неудачу из-за качества и производительности.

Производство AlScN сопряжено с фундаментальными проблемами. Современный производственный процесс позволяет выращивать слои AlScN методом распыления. К сожалению, качество этих слоев недостаточно для электронных приложений, таких как светодиоды и мощные транзисторы. Альтернативный метод — получение AlScN методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). С помощью этого процесса в соединение можно включить большое количество скандия. Качество также достаточно для производства микроэлектронных устройств. Однако процедура очень сложна, а производительность слишком низка для производства в промышленных масштабах.

Производство AlScN методом MOCVD обещает не только необходимое качество, но и достаточную производительность для промышленного применения. «Мы знали, что предыдущие попытки других ученых получить нитрид галлия-скандия с помощью MOCVD потерпели неудачу. Мы также знаем, что многие ученые во всем мире работают над разработкой транзисторов AlScN, но никому до нас не удалось сделать это с помощью MOCVD. хотя это очень многообещающий подход для промышленности», — объясняет доктор Стефано Леоне, руководитель группы Fraunhofer IAF. Во время процедуры MOCVD газы направляются через нагретую пластину. Под воздействием тепла отдельные молекулы высвобождаются из газа и интегрируются в кристаллическую структуру пластины. Кристаллическую структуру можно точно отрегулировать, регулируя поток газа, температуру и давление. Кроме того, быстрая смена газа позволяет выращивать различные слои материала друг над другом.

Fraunhofer IAF достигает новизны

Задача для исследователей из Fraunhofer IAF: нет источника газа для скандия. Молекулы (прекурсоры) скандия очень велики и их трудно перевести в газовую фазу. «Мы изучили лучший возможный прекурсор скандия и запланировали настройку нашего MOCVD-реактора для необходимой процедуры. Мы провели много исследований и провели множество дискуссий, пока не разработали установку, которую сейчас даже патентуем. Теперь нам удалось вырастить AlScN. слоев с помощью MOCVD с очень высоким качеством кристаллов и необходимым количеством скандия для разработки силовых транзисторов следующего поколения», — говорит Леоне, довольный своим достижением. Исследовательская группа модифицировала систему MOCVD в Fraunhofer IAF, чтобы обеспечить высококачественный и воспроизводимый процесс производства AlScN.