Nieuw nitride-materiaal NbAlN moet stroomchips krachtiger maken

Onderzoekers van de Tokyo University of Science hebben samen met collega's van de University of Tokyo en Mie University een nieuw halfgeleidermateriaal ontwikkeld: niobium-aluminiumnitride, kortweg NbAlN. Het team slaagde erin dit materiaal in een perfecte kristalstructuur te laten groeien bovenop galliumnitride (GaN), het materiaal dat al de basis vormt van veel moderne stroom- en radiochips. De resultaten zijn gepubliceerd in het vakblad Advanced Materials.

Waarom een nieuw materiaal nodig is

Chips van galliumnitride en aluminiumnitride zitten in apparaten die veel stroom of hoge frequenties moeten verwerken, zoals opladers, 5G-zendmasten en radarsystemen. Op de grens tussen twee zulke materialen ontstaat een dun laagje met extreem beweeglijke elektronen, het zogeheten tweedimensionale elektronengas. Dat laagje is het hart van transistors die grote stromen aankunnen. Al jaren zoeken materiaalkundigen naar nieuwe combinaties die dit effect nog sterker maken, zonder de kristalstructuur van GaN te verstoren. Niobium leek daarvoor een lastige kandidaat: het metaal vormt van nature een heel andere, metallische kristalvorm en verstoort doorgaans de nette gelaagde structuur die nodig is.

Hoe de doorbraak tot stand kwam

Met een techniek genaamd reactieve epitaxiale groei, waarbij atomen laag voor laag op een ondergrond worden afgezet, lieten de onderzoekers NbAlN-films groeien met een niobiumgehalte tussen de 11 en 37 procent. Tot 25 procent niobium bleef de kristalstructuur glad en foutloos uitgelijnd met het onderliggende GaN. Bij 37 procent ging de kwaliteit duidelijk achteruit en werd het oppervlak ruw. Met röntgendiffractie en elektronenmicroscopie op atomair niveau bevestigde het team dat de kristalstructuur ononderbroken bleef, ook al bevatte het materiaal plaatselijk niobiumrijke gebiedjes.

Meer elektronen, zelfde snelheid

Om te testen of het nieuwe materiaal ook daadwerkelijk nuttig is, bouwden de onderzoekers een laagje NbAlN in als barrièrelaag in een bestaande chipstructuur. Het resultaat: de dichtheid van elektronen in het geleidende laagje nam meer dan drie keer toe, van ongeveer 5,1 biljoen naar 17 biljoen elektronen per vierkante centimeter. Opvallend genoeg bleef de snelheid waarmee die elektronen zich verplaatsen nagenoeg gelijk aan die van de bestaande techniek. Meer elektronen zonder snelheidsverlies betekent in de praktijk dat chips meer stroom kunnen verwerken zonder groter te worden.

De onderzoekers willen nu de elektrische eigenschappen van NbAlN verder in kaart brengen en er daadwerkelijk transistors mee bouwen, om te zien hoe groot de winst in de praktijk uitpakt. Volgens hoofdonderzoeker Atsushi Kobayashi opent de vondst een geheel nieuwe familie van nitride-materialen met overgangsmetalen, die de ontwerpmogelijkheden voor toekomstige stroomchips flink verbreedt.