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News | 01-03-2020

Oxidelektronikmaterialien für die Zukunft

In der Oxidelektronik werden elektronische und magnetische Eigenschaften von Oxidmaterialien ausgenutzt, um Bauelemente zu realisieren, die mit gewöhnlichen Halbleitern, wie beispielsweise Silizium, nicht herstellbar sind.

Neue MOVPE-Anlage zur Abscheidung von ferroelektrischen Kalium-Natrium-Niobat-Schichten, finanziert vom Land Berlin, aus Mitteln des Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE)

Diese Oxide werden dabei als dünne Schichten mit Schichtdicken im Bereich von 10 nm bis 5 µm gezüchtet und fungieren als elektrisch aktiver Teil des Bauelements.
Einsatzbereiche solcher oxidischer Bauelemente sind z. B. nicht-flüchtige Speicherbausteine, Sensoren, Mikroaktuatoren oder Transistoren für die Leistungselektronik.
Oxidstrukturen von höchster Materialqualität und das Verständnis ihrer physikalischen Eigenschaften sind wesentliche Voraussetzungen für die technologische Beherrschung von Metalloxiden für technologische Anwendungen.

Mit dem EFRE (Europäische Fonds für Regionale Entwicklung) Applikationslabor „Materialien für die Oxidelektronik“ wird seit März 2017 die Zielstellung verfolgt, oxidischen Funktionsschichten mit hoher struktureller Perfektion für anwendungsrelevante Bauelementteststrukturen zu entwickeln und sie für Industriepartner verfügbar zu machen. Die Abscheidung von einkristallinen, defektarmen Oxidschichten mit definiert, durch Dotierung und Verspannungen angepassten elektrischen und strukturellen Eigenschaften bildet dabei die Grundlage. Um die hohe strukturelle Perfektion bei den Schichten zu erreichen wird die Methode der metall-organischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) eingesetzt, welche durch ihr Skalierungspotential bereits in der Industrie die Abscheidemethode der Wahl ist. Innerhalb des EFRE-Projektes wurde aus Fördermittel eine neue MOVPE Anlage angeschafft um die Materialbasis zu erweitern. Die neue Anlage wurde inzwischen in der Sektion „Dünne Oxidschichten“ des IKZ installiert und in Betrieb genommen. In der ersten Phase wurden binäre Nioboxid-Schichten als Testsystem abgeschieden. In der zweiten Stufe werden ferroelektrische Natrium-Niobat-Schichten gewachsen. Dabei muss der Parameterbereich für einkristalline, stöchiometrische Schichten ausgetestet werden. Erste Versuche dazu wurden erfolgreich durchgeführt. In den nächsten Monaten ist geplant die Materialbasis auf Kalium-Natrium-Niobat-Schichten mit unterschiedlichem Verspannungszustand auszuweiten. Dazu werden vor allem Seltenerd-Scandate-Kristalle aus dem IKZ als Substrate eingesetzt. In Zusammenarbeit mit Projektpartnern sollen diese Schichten sowohl für Speicherbauelemente als auch für SAW-Sensoren eingesetzt werden.

Ebenfalls mit Hilfe der MOVPE werden in der Sektion „Dünne Oxidschichten“ homoepitaktisch β-Ga2O3 Schichten auf in-house gezüchteten Substraten abgeschieden. Um die viel versprechenden Eigenschaften des Materials wie beispielsweise die hohe elektrische Durchbruchfeldstärke noch effizienter auszunutzen wird aktuell an Schichtstrukturen für vertikale Leistungs-Bauelemente gearbeitet. Gelingt es die Industrierelevanz von β-Ga2O3 nachzuweisen, ist das Materialsystem auf dem besten Wege das nächste High Performance Material für die Leistungselektronik, jenseits von SiC und GaN zu werden.

In enger Zusammenarbeit mit der Sektion „Experimentelle Charakterisierung“ werden die Oxidschichten hinsichtlich ihrer elektrischen und strukturellen Eigenschaften charakterisiert. Dabei kommen ebenfalls aus EFRE-Mitteln beschaffte Geräte zum Einsatz.

Zum Abschluss des EFRE-Projektes ist für den 22.09.2020 ein Workshop zur offiziellen Eröffnung des Applikationslabores mit Vorträgen zu Leistungsbauelementen auf Basis von Gallium-Oxid-Schichten und Dünnschichtsensoren mit akustischen Oberflächenwellen geplant. Der Workshop richtet sich an Vertreter aus Universitäten, außeruniversitären Instituten und der Industrie.

Weitere Informationen:
Jutta Schwarzkopf
Sektion Dünne Oxidschichten