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23-03-2020 | Materialentwicklung | Im Fokus | Article

Wie die Zähmung des Aluminiumscandiumnitrid gelang

Author:
Dieter Beste
3 min reading time

Mit der Nutzung immer höherer Frequenzbereiche in der Mobilkommunikation steigen auch die Anforderungen an die Materialien der dafür verwendeten elektronischen Bauelemente. Große Hoffnungen richten sich auf das Aluminiumscandiumnitrid.

Von Zeit zu Zeit fragt sich bestimmt jeder einmal, wie es überhaupt möglich ist, dass all die Funktionen, die ein heutiges Smartphone integriert, von solch einem kleinen Gerät ausgeführt werden können. Man ahnt, dass dazu neben einer ausgeklügelten Software des Betriebssystems und Äonen von Apps, eine fehlerfrei arbeitende Hardware vonnöten ist. Was mag sich da alles unter der eleganten Hülle des Handys verbergen und ihm sein Gewicht verleihen? Es werden Siliziumchips sein. Darin eingegraben unzählige mikroelektronische Schaltungen und Schaltkreise. Mit einer solchen Annahme liegt man nicht falsch, denn Silizium (Si) ist der Halbleiterwerkstoff per se.

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Unbemerkt von einer größeren Öffentlichkeit wachsen jedoch neben dem "Lastesel" Silizium andere Halbleitermaterialien heran und machen ihm Konkurrenz: "Vor allem in Spezialanwendungen werden Strukturen aus Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumcarbid (SiC) immer wichtiger", erläutert Springer-Autor Titu-Marius I. Băjenescu in "Zuverlässige Bauelemente für elektronische Systeme" (Seite 285); so könne das Siliziumkarbid (SiC) bei ausreichender kristalliner Qualität aufgrund seiner herausragenden Materialeigenschaften gerade im Hochleistungsbereich die physikalischen Grenzen von Silizium durchbrechen. Weiterhin zählt Băjenescu Galliumnitrid (GaN) und seine verwandten Legierungen, wie Aluminiumnitrid (AlN), Indiumnitrid (InN) und deren Verbindungen wie AlInN, AlGaN, GaInN, AlInN und AlGaInN zu den Newcomern in der Elektronik.

Den neuen Mobilfunkstandard 5G fest im Blick hat das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) im Projekt "PiTrans" jetzt das Material Aluminiumscandiumnitrid (AlScN) für elektroakustische Bauteile von Smartphones zur Anwendungsreife gebracht. PiTrans steht für "Entwicklung von AlScN-Schichten für die nächste Generation von piezoelektrischen RF-Filtern". AlScN sei eines der vielversprechendsten Materialien, um das in RF-Filtern von Mobilfunkgeräten herkömmlicherweise genutzte Aluminiumnitrid (AlN) abzulösen, heißt es in einer aktuellen Mitteilung des IAF. Durch das Beifügen von Scandium (Sc) zu AlN werde die elektromechanische Kopplung und der piezoelektrische Koeffizient des Materials erhöht und so eine effizientere Umwandlung von mechanischer zu elektrischer Energie ermöglicht. Das wiederum erlaube die Entwicklung von deutlich effizienteren RF-Bauelementen.

Einer industriellen Verwendung des Aluminiumscandiumnitrid stand bislang die Instabilität der piezoelektrischen AlScN-Kristallphase im Weg, denn immer wieder kam es zu einer Entmischung von AlN und ScN während des Schichtwachstums. "Als das Projekt 2015 startete, kannten wir das Potenzial von AlScN, aber wir standen vor der Aufgabe, einen Weg zu finden, um das Material in einem stabilen und skalierbaren Prozess zu wachsen", sagt Agnė Žukauskaitė, die ihr Team zum Erfolg führte; die Gruppe berichtet über ihre Arbeit jetzt in "AIP-Applied Physics Letters".

Erfolgreiches Material-Wachstum

Im Zuge des Projekts ist es den Forschern in Freiburg nach eigenen Angaben gelungen, hochkristalline AlScN-Schichten mit unterschiedlichen Scandium-Anteilen von bis zu 41 Prozent aufzuwachsen. Dabei wurde eine gute Homogenität der Schichten auf dem Substrat erreicht, einem Siliziumwafer mit einem Durchmesser von bis zu 200 mm, – womit jetzt einer industriellen Anwendung von Aluminiumscandiumnitrid nichts mehr im Wege steht. Neben diesen industrierelevanten Ergebnissen gelang es dem Forscherteam auch, ein in allen Raumrichtungen definiertes Wachstum von AlScN auf Saphir (Al2O3)-Substraten mittels Magnetron-Sputter-Epitaxie (MSE) zu realisieren. Ein Meilenstein für die künftige Materialforschung.

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