Tóm tắt nghiên cứu

Phó giáo sư Kobayashi Atsushi, bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái Kỹ thuật Sáng tạo Vật liệu, bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái Kỹ thuật Nâng cao, Đại học bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái học Tokyo và OTA Hayasuke (tốt nghiệp năm 2024), đã chế tạo thành công scandium aluminum nitride (Scaln) Điều này dự kiến sẽ đóng góp đáng kể cho sự phát triển của các bóng bán dẫn thế hệ tiếp theo nhỏ, hiệu suất cao Hơn nữa, công nghệ chế tạo màng mỏng sử dụng các phương pháp phun, thường được sử dụng trong ngành, có khả năng được áp dụng cho tất cả các vật liệu bán dẫn nitride, làm cho nó trở thành một thành tựu quan trọng sẽ có tác động đến toàn bộ lĩnh vực điện tử Kết quả này là một dự án nghiên cứu chung với Đại học Tokyo (hỗ trợ và phân tích các đặc tính điện) và Sumitomo Electric Industries, Ltd (làm bánh que Hemt)

Scaln có hệ số áp điện lớn ( *1) và phân cực tự phát ( *2), và thể hiện hiệu ứng tuyệt vời của việc cải thiện mật độ của khí điện tử 2D (2DEG, *4) như một vật liệu rào cản đối với các bộ chuyển đổi di động điện tử cao dựa trên gan ( Hơn nữa, các đặc tính sắt điện dự kiến sẽ có thể áp dụng nó cho các ký ức không biến đổi và các thiết bị đa chức năng Mặt khác, thách thức là rối loạn cấu trúc tinh thể và sự suy giảm chất lượng giao diện gây ra bởi sự bổ sung SC gây ra sự giảm tính di động của electron Hơn nữa, mặc dù các phương pháp thông thường có thể cung cấp màng chất lượng cao, sự phức tạp của thiết bị và chi phí cao đã trở thành rào cản đối với các ứng dụng công nghiệp Do đó, nhóm nghiên cứu này đã thúc đẩy nghiên cứu với mục đích thiết lập công nghệ tăng trưởng màng mỏng chất lượng cao bằng cách sử dụng phương pháp phun đơn giản và ít tốn kém hơn

Trong nghiên cứu này, các màng Scaln được phát triển trên các chất nền ALGAN/ALN/GAN/SIC bằng cách phun và ảnh hưởng của nhiệt độ tăng trưởng từ 250 đến 750 ° C đối với chất lượng phim và tính chất điện đã được nghiên cứu Phân tích bề mặt xác nhận rằng bề mặt được làm mịn khi nhiệt độ tăng trưởng tăng lên, dẫn đến màng phẳng và chất lượng cao nhất ở 750 ° C Phân tích cấu trúc tinh thể cho thấy các màng mỏng scaln phát triển hài hòa với hằng số mạng của chất nền trên toàn bộ phạm vi nhiệt độ và không đổi mạng trục C giảm khi nhiệt độ tăng Trong đánh giá đặc điểm điện, mật độ mang tấm của cấu trúc màng mỏng được phát triển ở 750 ° C tăng khoảng ba lần Mặt khác, tính di động của electron đã giảm và phân tích mô phỏng cho thấy các điện tích âm gần giao diện là nguyên nhân

Phát hiện nghiên cứu này chứng minh rằng nhiệt độ tăng trưởng là một yếu tố quan trọng xác định cả tính chất chất lượng và 2DEG của màng mỏng Scaln, cung cấp hướng dẫn cho sự phát triển của các thiết bị GAN hiệu suất cao Hơn nữa, việc thiết lập công nghệ lắng đọng màng có chất lượng cao bằng cách sử dụng các phương pháp phun linh hoạt công nghiệp cao sẽ đẩy nhanh việc áp dụng thực tế các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo

Kết quả nghiên cứu này đã được công bố vào ngày 7 tháng 8 năm 2025, Tạp chí quốc tếĐược xuất bản trực tuyến tại "Vật liệu APL"Nó được chọn là "chọn của biên tập viên" làm bài báo rất phổ biến

Bối cảnh nghiên cứu

Chất bán dẫn nitride dựa trên GAN đang thu hút sự chú ý như các vật liệu cho các thiết bị đầu ra cao, tần số cao do các tính chất tuyệt vời của chúng như khoảng cách dải rộng, điện áp phân hủy cao và hiệu ứng phân cực lớn Cụ thể, các bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái bán dẫn di động điện tử cao dựa trên GAN (HEMTS) là các thiết bị hiệu suất cao sử dụng các đặc tính của khí electron hai chiều (2DEG) được hình thành tại giao diện Algan/GAN

Trong những năm gần đây, Scaln đã thu hút những kỳ vọng lớn như một vật liệu rào cản mới cho phép cải thiện hiệu suất của các hems GaN thông thường, vì nó thể hiện các hệ số áp điện lớn, phân cực tự phát và tính chất sắt điện Tính chất thú vị này của Scaln cũng có thể áp dụng cho FEFET bằng cách sử dụng cổng sắt điện, có thể góp phần đa dạng hóa các chức năng của các thiết bị dựa trên GAN Trước đây, các màng mỏng Scaln được chế tạo trên GaN bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử (MBE, *5) và các phương pháp pha hơi kim loại (MOCVD, *6) được biết là thể hiện độ kết tinh cao và mật độ 2DEG tuyệt vời, nhưng việc giảm tính di động điện tử và độ phức tạp của quá trình đã trở thành một thách thức Mặt khác, các phương pháp phun cho phép hình thành màng bằng nhiệt độ thấp và các thiết bị đơn giản, giúp chúng có lợi cho các ứng dụng công nghiệp, nhưng có những trường hợp hạn chế về tăng trưởng epiticular (*7) trên GaN và hiệu quả của chúng chưa được xác minh đầy đủ

Nhóm nghiên cứu này đã chỉ ra trong các nghiên cứu trước đây rằng các màng mỏng có hàm lượng SC là 3-30% có thể được tăng trưởng ở 300-700 ° C và đã đánh giá tính chất quang học và điện của chúng Tuy nhiên, mặc dù 2DEG đã được hình thành thành công trong các chất nền được phát triển trên các chất nền ALGAN/ALN/GAN/SIC, có chỗ để cải thiện mật độ sóng mang và tính di động của electron Hơn nữa, ảnh hưởng của nhiệt độ tăng trưởng đến các tính chất cấu trúc và điện chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng Do đó, nghiên cứu này nhằm mục đích làm rõ một cách có hệ thống các mối quan hệ bằng cách sử dụng các phương pháp phun và khám phá các khả năng để cải thiện hiệu suất của GaN Hemt

Chi tiết kết quả nghiên cứu

• Chế tạo các màng mỏng scaln

  AL_0.2GA_0.8N (xấp xỉ 3 nm)/aln (xấp xỉ 1 nm)/cấu trúc GAN/6H-SIC chưa được sử dụng Trên chất nền này, một bộ phim thu nhỏ với hàm lượng SC là 10% được phát triển đặc biệt bằng cách phun ra Nhiệt độ hình thành màng được thay đổi ở 250, 350, 450, 600, 675 và 750 ° C, và độ dày màng Scaln được điều chỉnh thành 22 ± 2nm cho tất cả các mẫu
  

• Đánh giá cấu trúc của màng mỏng

  Nhiễu xạ điện tử tốc độ cao phản xạ (RHEED) đã xác nhận rằng sự tăng trưởng epiticular của màng mỏng Scaln là có thể ngay cả ở nhiệt độ thấp 250 ° C, và các mẫu vệt cho thấy sự cải thiện trong sự căn chỉnh nguyên tử bề mặt đã được quan sát ở 675 ° C hoặc cao hơn Phân tích bề mặt sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) đã xác nhận rằng bề mặt được làm mịn khi nhiệt độ tăng trưởng tăng và ở 750 ° C, sự chuyển đổi sang tăng trưởng dòng chảy (*8) cho thấy bước rõ ràng (bước mức độ nguyên tử) và cấu trúc sân thượng (phần phẳng giữa các bước) Phân tích cấu trúc sử dụng nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy các sọc Pendellösung rõ ràng trong các màng mỏng được phát triển ở 750 ° C, thể hiện tính đồng nhất của độ dày màng và độ đột ngột của giao diện, cho thấy chất lượng tương tự như các phương pháp MBE hoặc MOCVD thông thường Hơn nữa, ánh xạ không gian mạng đối ứng (RSM) đã xác nhận rằng các màng mỏng Scaln được khớp với nhau trên toàn bộ phạm vi nhiệt độ, với rất ít thư giãn mạng tinh thể Hơn nữa, hằng số mạng của trục c giảm khi tăng nhiệt độ tăng trưởng Điều này được cho là do kích hoạt nhiệt ở nhiệt độ cao thúc đẩy sự sắp xếp lại các nguyên tử và cấu trúc tinh thể trở nên dày đặc hơn, làm giảm căng thẳng mạng theo hướng trục C
  

  Những kết quả này chứng minh rằng việc phun có hiệu quả để phát triển các màng mỏng chất lượng cao

• Đặc tính điện tử của màng mỏng scaln

  Các phép đo hiệu ứng Hall đã đánh giá các tính chất điện của các cấu trúc Scaln/Algan/Aln/GaN/SIC, và nó đã được tiết lộ rằng mật độ sóng mang phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ tăng trưởng Cụ thể, đối với một màng mỏng được thực hiện ở 750 ° C, 1,1 × 10¹³cm^-2, có kích thước gấp khoảng ba lần trước khi lắng đọng scaln, trong khi các màng được chế tạo ở 250-675 ° C vẫn ở cùng giá trị hoặc thấp hơn như trước khi lắng đọng Sự cải thiện mật độ sóng mang được nhìn thấy ở 750 ° C được cho là do thực tế là tăng trưởng nhiệt độ cao thúc đẩy tăng trưởng dòng chảy và sự hình thành các giao diện phẳng, dốc ở cấp độ nguyên tử, dẫn đến tích lũy điện tử hiệu quả hơn do điện tích phân cực lớn
  

  Mặt khác, tính di động của electron được hạ xuống trong tất cả các màng mỏng so với sự lắng đọng trước đó và 913 cm đối với màng mỏng được chế tạo ở 750 ° C²V^-1S^-1Đó là Sự giảm này được cho là chủ yếu gây ra bởi sự tán xạ do độ nhám của giao diện và sự không hoàn hảo về cấu trúc Độ phẳng cao và tính đồng nhất của tinh thể đã được xác nhận trong các màng mỏng được chế tạo ở 750 ° C bằng phân tích bề mặt và cấu trúc, cho thấy chất lượng cấu trúc ảnh hưởng trực tiếp đến kiểm soát mật độ 2DEG Các tính chất điện thu được trong nghiên cứu này nằm trong phạm vi hiệu suất của các HEMS dựa trên Scaln được báo cáo trong tài liệu, chứng minh tính hiệu quả của sự tăng trưởng epiticular bằng cách tạo ra
  

  Phó giáo sư Kobayashi Atsushi, Đại học bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái học Tokyo, người đã dẫn đầu nghiên cứu này, đã nhận xét, "Mặc dù sự phát triển tinh thể của các màng mỏng đã được coi là khó khăn, chúng tôi đã làm việc cho nghiên cứu này Các thiết bị điện tử kháng thuốc, và chúng tôi hy vọng rằng bằng cách sử dụng điện một cách hiệu quả, nó sẽ cải thiện sự tiện lợi và an toàn của cuộc sống của mọi người "
  

• * Nghiên cứu này được thực hiện với các khoản tài trợ từ Hiệp hội nghiên cứu bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái học của Nhật Bản (JSPS) (JP23KK0094), Quỹ quảng bá bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái học và công nghệ IZUMI và Quỹ nghiên cứu cơ bản sử dụng điện Chubu

Thuật ngữ

*1: Hệ số áp điện
Một hằng số vật lý đại diện cho mức độ phân cực điện xảy ra khi ứng suất cơ học được áp dụng cho vật liệu Giá trị này càng cao, tín hiệu điện càng lớn có thể được tạo ra ngay cả với biến dạng cơ học nhẹ

*2: Phân cực tự phát
Điện cực lưỡng cực hình thành tự nhiên bên trong vật liệu do sự bất đối xứng của cấu trúc tinh thể mà không cần áp dụng điện trường bên ngoài Điện điện bên trong này tích lũy điện tích tại giao diện Đây là một yếu tố quan trọng trong việc kiểm soát mật độ sóng mang trong các thiết bị bán dẫn nitride

*3: Transitor di động điện tử cao (HEMT)
Một bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái bán dẫn sử dụng khí electron hai chiều làm kênh Bởi vì một giao diện có độ tinh khiết cao không pha tạp với tạp chất được sử dụng làm đường dẫn truyền dẫn, sự tán xạ tạp chất bị triệt tiêu rất nhiều và có thể đạt được tính di động của electron cực cao

*4: 2D electron Gas (2DEG)
Một lớp electron rất mỏng của một số nanomet dày hình thành tại giao diện dị vòng của chất bán dẫn với các dải băng khác nhau Tại giao diện này, các electron bị giới hạn hai chiều và tán xạ ba chiều bị triệt tiêu, do đó tính di động điện tử cao được thể hiện Nó được sử dụng làm nguyên tắc hoạt động của các thiết bị tần số cao, tốc độ cao

*5: Epitaxy dầm phân tử (MBE)
Một phương pháp cho sự phát triển tinh thể chính xác ở cấp độ lớp nguyên tử bằng cách làm nóng và làm bay hơi nguyên liệu thô trong một khoảng trống cực cao và chiếu xạ chất nền dưới dạng chùm phân tử Do lượng cung cấp của mỗi nguyên liệu thô có thể được kiểm soát độc lập, nên chế phẩm và độ dày màng có thể được kiểm soát chính xác ở cấp độ lớp nguyên tử, giúp tạo ra các màng tinh thể chất lượng cao Mặt khác, các thiết bị chân không cực cao và các hệ thống điều khiển phức tạp được yêu cầu, dẫn đến chi phí thiết bị cao và tốc độ tăng trưởng chậm

*6: lắng đọng hơi kim loại (MOCVD)
Một phương pháp trong đó một phản ứng hóa học xảy ra trong pha khí bằng cách sử dụng hợp chất organometallic làm nguyên liệu thô và các tinh thể phát triển trên chất nền Bằng cách kiểm soát tốc độ dòng chảy và nhiệt độ phản ứng của khí nguyên liệu, thành phần và tốc độ tăng trưởng có thể được điều chỉnh, cho phép tăng trưởng tốc độ tương đối cao, làm cho nó phù hợp cho sự hình thành màng đồng đều trên các chất nền diện tích lớn và các ứng dụng công nghiệp Mặt khác, có một vấn đề là một hệ thống cung cấp khí đặc biệt được yêu cầu để tạo ra các màng mỏng

*7: Tăng trưởng epiticular
Một công nghệ trong đó các màng mỏng có cùng cấu trúc tinh thể với chất nền thường xuyên được xếp chồng lên chất nền tinh thể Phát triển cùng một vật liệu với chất nền được gọi là homoepitaxy, và phát triển một vật liệu khác với chất nền được gọi là dị vòng

*8: Bước tăng trưởng dòng chảy
Cơ chế tăng trưởng epiticular sử dụng các bước (các bước cấp nguyên tử) và sân thượng (các phần phẳng giữa các bước) hiện diện trên bề mặt tinh thể Các nguyên tử đến sân thượng khuếch tán trên sân thượng và di chuyển đến cạnh bước nơi các nguyên tử liên kết và phát triển khi các bước di chuyển theo sau

Thông tin giấy

Tên tạp chí

Vật liệu APL

Tiêu đề của tờ giấy

118153_118288

tác giả

Shunsuke Ota, Tomoya Okuda, Kouei Kubota, Yusuke Wakamoto, Takuya Maeda, Takahiko Kawahara, Kozo Makiyama

doi

10.1063/5.0281540

Người thuyết trình

Kobayashi Atsushi

Phó giáo sư, bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái Kỹ thuật Sáng tạo Vật liệu, bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái Kỹ thuật Tiên tiến, Đại học bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái học Tokyo

Ota Hayasuke

Đại học bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái học Tokyo, bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái Kỹ thuật Nâng cao, bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái Kỹ thuật Sáng tạo Vật liệu (tốt nghiệp bằng Cử nhân 2024)