Ferroelektrische Eigenschaften von AlScN eröffnen Entwicklungspotentiale für Halbleitertechnologie

In seiner Promotionsarbeit untersuchte Dr. Simon Fichtner die Leistungsfähigkeit des piezoelektrischen Dünnfilmmaterials Aluminiumscandiumnitrid (AIScN). Dabei machte er die erstaunliche Entdeckung, dass AIScN ferroelektrische Eigenschaften besitzt, d. h. mit dem Anlegen eines elektrischen Feldes ändert sich das elektrische Dipolmoment des Materials – seine atomare Struktur ist reversibel schaltbar und somit in der Lage, bestimmte Zustände zu speichern. 

Diese Entdeckung hat das Potenzial einer Innovation in der Halbleiterentwicklung. Am Horizont zeichnet sich ein ausgesprochen breites Forschungsfeld ab, sowohl wissenschaftlich als auch im Hinblick auf die industrielle Umsetzung, welche das ISIT noch viele Jahre begleiten wird.

Anwendungsfelder: Piezoelektrische Mikroaktuatoren und Next Generation Computing

Konkret beschäftigen sich die ISIT-Wissenschaftler mit zwei großen Anwendungsfeldern für dieses Material: Erstens wird AlScN die Grundlage für stark verbesserte piezoelektrische Mikroaktuatoren sein, wie sie etwa in Mikroscannern oder Mikrolautsprechern zum Einsatz kommen. Zweitens können neue ferroelektrische AlScN-Bauelemente einen wichtigen Beitrag zum „Next Generation Computing“ leisten: Neuromorphe Elektroniken, nichtflüchtige Speicher oder energieeffiziente Leistungstransistoren werden von den herausragenden Materialeigenschaften von AlScN profitieren. 

 

AlScN-basierte ferroelektrischen Feldeffekttransistoren

Im vergangenen Jahr befassten sich ISIT-Wissenschaftler mit der Entwicklung von ersten AlScN-basierten ferroelektrischen Feldeffekttransistoren. Sie verfolgten dabei das Ziel, die technologischen Voraussetzungen für die Steigerung der Effizienz von Leistungstransistoren für Energieumwandlung, E-Mobilität und Kommunikationsanwendungen zu schaffen, und schufen die Basis einer Evaluierung des Einsatzes von AlScN in Speicheranwendungen.

So demonstrierten sie die gezielte Polarisationsumschaltung des ferroelektrischen AlScN in Silizium-basierten Transistoren. Diese Leistung stellt einen wichtigen Konzeptnachweis dar und unterstreicht das Potenzial des neuartigen Materials, indem dieses neben der voranschreitenden Materialforschung ebenfalls in ersten Bauelementen integriert wird.

Angepasste Transistordesigns

Zu diesem Zweck wurden auf der Grundlage von Prozess- und Bauelementesimulationen verschiedene Transistordesigns auf die Bedürfnisse und Stärken des Materialsystems zugeschnitten. Die Designs wurden zu einem einheitlichen Prozessablauf kombiniert und in einer ersten Iteration gefertigt. Die umfassende elektrische Charakterisierung dieser Bauelemente ist noch in Arbeit. Die ersten Ergebnisse zeigen jedoch bereits den Weg zu weiteren Verbesserungen der Bauelemente-Architektur auf. Neben der kontinuierlichen Integration in siliziumbasierte Transistoren wurde ein ausgeklügelter Fahrplan für die enge Einbindung von AlScN in die kürzlich hinzugekommene GaN-Technologieplattform aufgestellt.

Für seine bahnbrechende Entwicklung wurde ISIT-Wissenschaftler Dr. Simon Fichtner mit dem Hugo-Geiger-Preis ausgezeichnet.

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Weitere Leuchttumrprojekte 2021

Diese Forschungsprojekte hatten für das ISIT in 2021 eine besondere Bedeutung

 

Multi-Beam-Maskenschreiber

 

FlaMe

 

 

 

Power 400