24.07.2019 - University of Illinois at Urbana-Champaign

Suche nach neuen Halbleitern heizt sich mit Galliumoxid auf

Die Elektroingenieure der University of Illinois haben eine weitere Hürde in der Hochleistungs-Halbleiterfertigung genommen, indem sie das heißeste Material des Feldes - Beta-Galliumoxid - in ihr Arsenal aufgenommen haben. Beta-Galliumoxid ist leicht verfügbar und verspricht, Energie schneller und effizienter umzuwandeln als die heute führenden Halbleitermaterialien - Galliumnitrid und Silizium, sagten die Forscher. Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift ACS Nano veröffentlicht.

Flachtransistoren sind etwa so klein wie physikalisch möglich geworden, aber die Forscher haben dieses Problem angegangen, indem sie vertikal gingen. Mit einer Technik namens metall-assisted chemical ätching - oder MacEtch - U. of I. verwendeten die Ingenieure eine chemische Lösung, um Halbleiter in 3D-Finnenstrukturen zu ätzen. Die Lamellen vergrößern die Oberfläche eines Chips, was mehr Transistoren oder Strom ermöglicht, und können daher mehr Leistung aufnehmen, während die Grundfläche des Chips gleich groß bleibt.

Die an der U. of I. entwickelte MacEtch-Methode ist den traditionellen "trockenen" Ätztechniken überlegen, da sie empfindliche Halbleiteroberflächen wie Beta-Galliumoxid weit weniger schädigt, sagten Forscher.

"Galliumoxid hat eine größere Energielücke, in der sich Elektronen frei bewegen können", sagte der Hauptautor der Studie, Xiuling Li, Professor für Elektro- und Informationstechnik. "Diese Energielücke muss bei Elektronik mit höheren Spannungen und sogar bei Niederspannungen mit schnellen Schaltfrequenzen groß sein, daher sind wir sehr interessiert an dieser Art von Material für den Einsatz in modernen Geräten. Es hat jedoch eine komplexere Kristallstruktur als reines Silizium, was die Kontrolle während des Ätzprozesses erschwert."

Die Anwendung von MacEtch auf Galliumoxidkristalle könnte der Halbleiterindustrie zugute kommen, sagte Li, aber der Fortschritt ist nicht ohne Hindernisse.

"Im Moment ist der Ätzprozess sehr langsam", sagte sie. "Aufgrund der langsamen Geschwindigkeit und der komplexen Kristallstruktur des Materials sind die erzeugten 3D-Flossen nicht perfekt vertikal, und vertikale Flossen sind ideal für eine effiziente Energienutzung."

In der neuen Studie produzierte das Beta-Galliumoxid-Substrat dreieckige, trapezförmige und konische Rippen, abhängig von der Ausrichtung der Metallkatalysatoranordnung in Bezug auf die Kristalle. Obwohl diese Formen nicht ideal sind, waren die Forscher überrascht, dass sie immer noch einen besseren Strom leiten als die flachen, ungeätzten Beta-Galliumoxid-Oberflächen.

"Wir sind uns nicht sicher, warum dies der Fall ist, aber wir beginnen, einige Hinweise zu erhalten, indem wir Atomcharakterisierungen des Materials durchführen", sagte Li. "Unter dem Strich haben wir gezeigt, dass es möglich ist, mit dem MacEtch-Verfahren Beta-Galliumoxid herzustellen, eine potenziell kostengünstige Alternative zu Galliumnitrid, mit guter Schnittstellenqualität."

Li sagte, dass weitere Forschungen die langsame Ätzrate ansprechen, Hochleistungs-Beta-Galliumoxid-Geräte ermöglichen und versuchen müssen, das Problem der niedrigen Wärmeleitfähigkeit zu umgehen.

"Die Erhöhung der Ätzrate sollte die Fähigkeit des Prozesses verbessern, mehr vertikale Rippen zu bilden", sagte sie. "Das liegt daran, dass der Prozess so schnell ablaufen wird, dass er keine Zeit hat, auf alle Unterschiede in der Kristallorientierung zu reagieren."

Das Problem der niedrigen Wärmeleitfähigkeit ist ein tieferes Problem, sagte sie. "Die Hochleistungselektronik produziert viel Wärme, und die Geräteforscher suchen aktiv nach wärmetechnischen Lösungen. Während dies im Moment ein weit offener Aspekt im Halbleiterbereich ist, könnten 3D-Strukturen wie das, was wir demonstriert haben, helfen, die Wärme bei einigen Gerätetypen besser abzuführen."

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