Forschungsfortschritte bei Aluminiumnitrid-Materialien und -Bauelementen
Der ultrabreitbandige Halbleiter, repräsentiert durch Aluminiumnitrid, stellt nach Silizium, Galliumarsenid, Galliumnitrid und Siliziumkarbid die vierte Generation von Halbleitermaterialien dar. Er gilt als Schlüsseltechnologie für die rasante Entwicklung der Mikroelektronik und ist zum bestimmenden Faktor im globalen Technologiewettbewerb geworden. Dank seiner hohen Leistungsfähigkeit, Hochspannungsfestigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit und Strahlungsresistenz ist der ultrabreitbandige Halbleiter das ideale Material für die neue Generation von Hochleistungs-ICs, Leistungselektronikbauelementen, kurzwelligen Fotodioden und Detektoren.
Aluminiumnitrid-Material
Aluminiumnitrid (AlN) ist eine typische III-V-Verbindung mit hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften, wie z. B. hoher thermischer Stabilität (Schmelzpunkt 2100 °C), hoher Wärmeleitfähigkeit [2 W/(cm·K)] und hoher chemischer Stabilität. AlN besitzt zudem gute piezoelektrische und dielektrische Eigenschaften und ist daher für Anwendungen in der Energieumwandlung, der akustischen Wellentechnik und in MEMS-Bauelementen von großem Nutzen. Die Forschung an AlN-Materialien konzentriert sich hauptsächlich auf zwei Aspekte: das AlN-Kristallwachstum und die AlN-Filmepitaxie. Beim AlN-Kristallwachstum wird vorwiegend das PVT-Verfahren zur Herstellung von selbstkeimenden und heterogenen Kristallen eingesetzt. Die AlN-Filmepitaxie erfolgt hauptsächlich auf Saphir- oder 4H-SiC-Substraten mittels MOCVD, ALD und anderen Verfahren.
Aluminiumnitrid-Bauteil
Die Forschung an AlN-Bauelementen konzentriert sich hauptsächlich auf Dioden, MESFETs, Fotodetektoren usw. ALN-basierte Dioden weisen dabei besonders gute Eigenschaften auf und wurden intensiv untersucht. Im Jahr 2023 gelang der Arizona State University die erste Herstellung einer AlN-Schottky-Diode auf einem AlN-Substrat mit einer Durchbruchspannung von 3 kV und einem Leckstrom von nur 200 nA. Im Jahr 2024 stellte die Universität Nagoya mithilfe der Methode der verteilten Polarisationsdotierung eine vertikale AlGaN-pn-Diode auf einem AlN-Substrat her (siehe Abbildung 8a). Die Durchbruchfeldstärke erreichte 7,3 MV/cm, die Öffnungsspannung 6,5 V und der Durchlasswiderstand 3 mΩ·cm². Dies ist der bisher niedrigste Wert für eine ALN-basierte pn-Diode. Im selben Jahr implementierte die Xidian-Universität eine Hochleistungs-AlN/GaN-Doppelbarriere-Resonanz-Tunneldiode mit einem Rekord-Spitzenstrom von 1551 kA/cm2 und einem Spitzen-Tal-Stromverhältnis von 1,24.
Aufgrund des hohen Polarisationseffekts von AlN ist die Kanal-Elektronenoberflächendichte in der AlN/GaN-Heterostruktur extrem hoch, was sie für die Herstellung von HF-Bauelementen prädestiniert. Der hohe ohmsche Kontaktwiderstand wird üblicherweise durch quadratische Epitaxie reduziert. Im Jahr 2022 schlug die Xidian-Universität einen schonenden, verbesserten AlN/GaN-HEMT für die Fernplasma-Oxidation vor, der eine Schwellenspannung von 0,4 V und einen maximalen Strom von 1,06 A/mm aufweist. Im Jahr 2023 berichtete die Peking-Universität über einen AlN/GaN-HEMT mit einer Gate-Länge von 70 nm, einem ohmschen Kontaktwiderstand von nur 0,09 Ω·mm, fT/fmax-Werten von bis zu 140/301 GHz und einer Sättigungsstromdichte von bis zu 1,54 A/mm.
Im Bericht „Status der Leistungselektronikindustrie“ prognostiziert Yole Intelligence, dass der globale Markt für Leistungselektronik bis 2028 auf 33,3 Milliarden US-Dollar anwachsen und damit die rasante Entwicklung des Bereichs der Halbleiter mit breiter Bandlücke vorantreiben wird. Die bestehenden GaN- und SiC-Systeme können die steigenden technischen Anforderungen im militärischen und zivilen Bereich jedoch nur schwer erfüllen. Als Halbleiter mit ultrabreiter Bandlücke ermöglicht Ga₂O₃ eine präzise Modulation der N-Typ-Elektronenstruktur, Diamant weist die höchste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur auf, und AlN zeichnet sich durch eine extrem breite Bandlücke und bessere Polarisationseigenschaften aus. Diese hervorragenden Eigenschaften eröffnen breite Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Hochspannung, Hochfrequenz, Hochtemperatur und Hochleistungselektronik. So lassen sich kostengünstige Produkte in kleinen Stückzahlen mit höherer Leistung, Frequenz und Effizienz realisieren.
FOUNTYL TECHNOLOGIES PTE. LTD. mit Sitz in Singapur ist spezialisiert auf die Formgebung, das Sintern und die Bearbeitung von Keramikmaterialien und bedient Anwender in der Halbleiterindustrie. Zu den Produkten gehören Siliziumkarbid-Spannfutter, poröse Keramik-Vakuumspannfutter, Luftschwimmtische, Keramik-Endeffektoren und Keramik-Führungsschienen. Kontaktieren Sie uns gerne für weitere Informationen zu einer möglichen Geschäftspartnerschaft.
