弗劳恩霍夫IAF的研究人员在半导体材料领域取得了突破：利用MOCVD工艺，他们成功制造并表征了氮化铝钇(AlYN)一种新型且有前景的半导体材料。

由于其优异的材料特性及其对氮化镓(GaN)的适应性，AlYN在信息和通信技术的节能高频高性能电子产品中具有巨大的应用潜力。

氮化铝钇(AlYN)因其优异的材料性能而吸引了世界各地众多研究团体的兴趣。然而，该材料的生长一直是一大挑战。到目前为止，AlYN只能通过磁控溅射沉积。

弗劳恩霍夫应用固体物理研究所(IAF)的研究人员现已成功利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术制造出这种新材料，从而能够开发新的、多样化的应用。

“我们的研究代表了新型半导体结构开发的一个里程碑。AlYN是一种能够提高性能同时最大限度降低能耗的材料，为我们数字化互联社会及其日益增长的技术需求所迫切需要的电子产品创新铺平了道路，”弗劳恩霍夫IAF外延领域科学家StefanoLeone博士说道。

AlYN凭借其良好的材料特性，可能成为未来技术创新的关键材料。

最近的研究已经证明了AlYN的材料特性，例如铁电性。在开发这种新型复合半导体时，弗劳恩霍夫IAF的研究人员主要关注其对氮化镓(GaN)的适应性：AlYN的晶格结构可以最佳地适应GaN，而AlYN/GaN异质结构有望为面向未来的电子产品的开发带来显著优势。

从层到异质结构

2023年，弗劳恩霍夫IAF研究小组取得了突破性成果，首次成功沉积了厚度为600纳米的AlYN层。该层具有纤锌矿结构，含有前所未有的超过30%的钇浓度。

如今，研究人员又取得了另一项突破：他们制造出了钇浓度可精确调节的AlYN/GaN异质结构，这种结构具有优异的结构质量和电学性能。这种新型异质结构的钇浓度高达16%。这项研究发表在《APL材料》杂志上。

由LutzKirste博士领导的结构分析小组继续进行详细分析，以进一步了解AlYN的结构和化学特性。

弗劳恩霍夫研究人员已经测量了AlYN非常有前景的电学特性，这些特性对于电子元件的应用很有意义。“我们能够观察到令人印象深刻的薄层电阻、电子密度和电子迁移率值。这些结果向我们展示了AlYN在高频和高性能电子产品中的潜力，”Leone报告说。

用于高频应用的AlYN/GaN异质结构

由于具有纤锌矿晶体结构，AlYN可以通过适当的成分很好地适应氮化镓的纤锌矿结构。AlYN/GaN异质结构有望开发出性能和可靠性更高的半导体元件。

此外，AlYN具有在异质结构中诱导二维电子气(2DEG)的能力。FraunhoferIAF的最新研究结果表明，当钇浓度约为8%时，AlYN/GaN异质结构中的2DEG特性最佳。

材料特性分析结果还表明，AlYN可用于高电子迁移率晶体管(HEMT)。研究人员观察到低温下电子迁移率显著增加(7K时超过3000cm²/Vs)。该团队已经在展示制造所需的外延异质结构方面取得了重大进展，并继续探索用于开发HEMT的新型半导体。

研究人员对工业应用也持乐观态度：利用在4英寸SiC衬底上生长的AlYN/GaN异质结构，他们展示了异质结构的可扩展性和结构均匀性。在商用MOCVD反应器中成功创建AlYN层，使其能够在更大的MOCVD反应器中扩展到更大的衬底。

该方法被认为是制造大面积半导体结构最有效的方法，并凸显了AlYN在半导体器件大规模生产中的潜力。

非挥发性存储器的开发

由于其铁电特性，AlYN非常适合开发非挥发性存储器应用。另一个重要优势是该材料对层厚度没有限制。因此，弗劳恩霍夫IAF研究团队鼓励进一步研究非挥发性存储器的AlYN层特性，因为基于AlYN的存储器可以推动可持续且节能的数据存储解决方案。

对于数据中心来说，这一点尤其重要，因为数据中心必须应对人工智能计算能力的迅猛增长，而且能源消耗也显著增加。

氧化的挑战

AlYN在工业上的应用面临的一个主要障碍是其易被氧化，这影响了它在某些电子应用上的适用性。

“未来，探索减少或克服氧化的策略将非常重要。高纯度前体的开发、保护涂层的使用或创新的制造技术可能有助于实现这一目标。

Leone总结道：“AlYN易受氧化影响，这是一项重大的研究挑战，需要确保研究工作集中在最有可能成功的领域。”

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