Eine neue Methode zum Zusammenfügen von nur wenige Nanometer dünnen Halbleiterschichten hat nicht nur zu einer wissenschaftlichen Entdeckung geführt, sondern auch zu einem neuen Transistortyp für elektronische Hochleistungsgeräte. Das in Applied Physics Letters veröffentlichte Ergebnis stieß auf großes Interesse.
Der Erfolg ist das Ergebnis einer engen Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern der Universität Linköping und SweGaN, einem Spin-off-Unternehmen aus der materialwissenschaftlichen Forschung an der LiU. Das Unternehmen fertigt maßgeschneiderte elektronische Komponenten aus Galliumnitrid.
Galliumnitrid, GaN, ist ein Halbleiter, der für effiziente Leuchtdioden verwendet wird. Es kann jedoch auch in anderen Anwendungen wie Transistoren nützlich sein, da es höheren Temperaturen und Stromstärken standhält als viele andere Halbleiter. Dies sind wichtige Eigenschaften für zukünftige elektronische Komponenten, nicht zuletzt für solche, die in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen.
Galliumnitriddampf kann auf einem Siliziumkarbidwafer kondensieren und eine dünne Schicht bilden. Die Methode, bei der ein kristallines Material auf dem Substrat eines anderen gewachsen wird, wird als „Epitaxie“ bezeichnet. Die Methode wird häufig in der Halbleiterindustrie eingesetzt, da sie große Freiheiten bei der Bestimmung sowohl der Kristallstruktur als auch der chemischen Zusammensetzung des gebildeten Nanometerfilms bietet.
Die Kombination aus Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) (beide können starken elektrischen Feldern standhalten) stellt sicher, dass die Schaltkreise für Anwendungen geeignet sind, bei denen hohe Leistungen erforderlich sind.
Die Passung an der Oberfläche zwischen den beiden kristallinen Materialien Galliumnitrid und Siliziumkarbid ist jedoch schlecht. Die Atome sind am Ende nicht zueinander passend, was zum Ausfall des Transistors führt. Dies wurde durch Forschungen angegangen, die anschließend zu einer kommerziellen Lösung führten, bei der eine noch dünnere Schicht Aluminiumnitrid zwischen den beiden Schichten platziert wurde.
Den Ingenieuren von SweGaN fiel zufällig auf, dass ihre Transistoren deutlich höhere Feldstärken aushalten als erwartet, und sie konnten zunächst nicht verstehen, warum. Die Antwort liegt auf atomarer Ebene – in einigen kritischen Zwischenflächen im Inneren der Komponenten.
Forscher von LiU und SweGaN unter der Leitung von Lars Hultman und Jun Lu von LiU präsentieren in Applied Physics Letters eine Erklärung des Phänomens und beschreiben eine Methode zur Herstellung von Transistoren mit einer noch größeren Widerstandsfähigkeit gegen hohe Spannungen.
Die Wissenschaftler haben einen bisher unbekannten epitaktischen Wachstumsmechanismus entdeckt, den sie „transmorphes epitaktisches Wachstum“ nennen. Dadurch wird die Spannung zwischen den verschiedenen Schichten allmählich über mehrere Atomschichten hinweg absorbiert. Das bedeutet, dass sie die beiden Schichten Galliumnitrid und Aluminiumnitrid auf Siliziumkarbid aufwachsen lassen können, um auf atomarer Ebene zu steuern, wie die Schichten im Material zueinander in Beziehung stehen. Im Labor haben sie gezeigt, dass das Material hohen Spannungen von bis zu 1800 V standhält. Würde eine solche Spannung an ein klassisches Bauteil auf Siliziumbasis angelegt, würde es zu Funkenflug und zur Zerstörung des Transistors kommen.
„Wir gratulieren SweGaN zum Beginn der Vermarktung der Erfindung. Es zeigt eine effiziente Zusammenarbeit und die Verwertung von Forschungsergebnissen in der Gesellschaft. Aufgrund des engen Kontakts, den wir mit unseren früheren Kollegen haben, die jetzt für das Unternehmen arbeiten, hat unsere Forschung schnell Auswirkungen auch außerhalb der akademischen Welt“, sagt Lars Hultman.
Materialien zur Verfügung gestellt von der Universität Linköping. Original geschrieben von Monica Westman Svenselius. Hinweis: Der Inhalt kann hinsichtlich Stil und Länge bearbeitet werden.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 11. Mai 2020