Eine neue Methode zum Verbinden von nur wenige Nanometer dünnen Halbleiterschichten hat nicht nur zu einer wissenschaftlichen Entdeckung, sondern auch zu einem neuartigen Transistor für Hochleistungselektronik geführt. Die in den Applied Physics Letters veröffentlichten Ergebnisse haben großes Interesse geweckt.
Dieser Erfolg ist das Ergebnis einer engen Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern der Universität Linköping und SweGaN, einem Spin-off-Unternehmen der Materialforschung an der Universität Linköping. Das Unternehmen stellt maßgeschneiderte elektronische Bauteile aus Galliumnitrid her.
Galliumnitrid (GaN) ist ein Halbleiter, der für effiziente Leuchtdioden verwendet wird. Aufgrund seiner höheren Temperatur- und Strombeständigkeit im Vergleich zu vielen anderen Halbleitern eignet er sich jedoch auch für weitere Anwendungen, beispielsweise in Transistoren. Diese Eigenschaften sind wichtig für zukünftige elektronische Bauteile, insbesondere für solche, die in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen.
Galliumnitriddampf kondensiert auf einem Siliziumkarbid-Wafer und bildet eine dünne Schicht. Das Verfahren, bei dem ein kristallines Material auf einem Substrat eines anderen aufgebracht wird, nennt man Epitaxie. Es findet häufig Anwendung in der Halbleiterindustrie, da es große Flexibilität bei der Bestimmung sowohl der Kristallstruktur als auch der chemischen Zusammensetzung des entstehenden Nanometerfilms bietet.
Die Kombination von Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) (die beide starken elektrischen Feldern standhalten können) gewährleistet, dass die Schaltungen für Anwendungen geeignet sind, bei denen hohe Leistungen benötigt werden.
Die Grenzflächenpassung zwischen den beiden kristallinen Materialien Galliumnitrid und Siliciumcarbid ist jedoch unzureichend. Die Atome passen nicht zueinander, was zum Ausfall des Transistors führt. Dieses Problem wurde durch Forschung behoben, die schließlich zu einer kommerziellen Lösung führte, bei der eine noch dünnere Aluminiumnitridschicht zwischen den beiden Schichten platziert wurde.
Die Ingenieure von SweGaN stellten zufällig fest, dass ihre Transistoren deutlich höhere Feldstärken vertrugen als erwartet, und konnten sich zunächst nicht erklären, warum. Die Antwort liegt auf atomarer Ebene – in einigen kritischen Zwischenoberflächen innerhalb der Bauteile.
Forscher der LiU und von SweGaN, unter der Leitung von Lars Hultman und Jun Lu von der LiU, präsentieren in Applied Physics Letters eine Erklärung des Phänomens und beschreiben eine Methode zur Herstellung von Transistoren mit einer noch größeren Fähigkeit, hohen Spannungen standzuhalten.
Die Wissenschaftler haben einen bisher unbekannten epitaxialen Wachstumsmechanismus entdeckt, den sie „transmorphes epitaxiales Wachstum“ genannt haben. Dieser Mechanismus bewirkt, dass die Spannung zwischen den verschiedenen Schichten schrittweise über mehrere Atomlagen abgebaut wird. Dadurch können sie Galliumnitrid und Aluminiumnitrid auf Siliziumkarbid so aufbringen, dass sie die Wechselwirkung der Schichten im Material auf atomarer Ebene steuern können. Im Labor haben sie gezeigt, dass das Material hohen Spannungen von bis zu 1800 V standhält. Würde man eine solche Spannung an ein herkömmliches Siliziumbauteil anlegen, entstünden Funken und der Transistor würde zerstört.
„Wir gratulieren SweGaN zum Marktstart ihrer Erfindung. Dies zeugt von effizienter Zusammenarbeit und der praktischen Anwendung von Forschungsergebnissen. Dank des engen Kontakts zu unseren ehemaligen Kollegen, die nun für das Unternehmen tätig sind, erzielt unsere Forschung auch außerhalb der akademischen Welt rasch Wirkung“, so Lars Hultman.
Materialien bereitgestellt von der Universität Linköping. Originaltext von Monica Westman Svenselius. Hinweis: Der Inhalt kann stilistisch und inhaltlich bearbeitet werden.
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Veröffentlichungsdatum: 11. Mai 2020