Wurtzitische Mischkristalle als neue Materialklasse für ferroelektrische Mikroelektronik 2 (WUMM2)

• Antragsteller: Dr.-Ing. Simon Fichtner; Professor Dr.-Ing. Thomas Mikolajick
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458372836

Die Stabilität der ferroelektrischen Eigenschaften von Aluminium-Scandium-Nitrid mit Wurtzit-Struktur (Al1-xScxN) über 1000 °C hinaus in Verbindung mit der dem ferroelektrischen Schaltprozess intrinsischen Strahlungsbeständigkeit stellt neuartige Nitrid-Ferroelektrika in den Vordergrund für die Entwicklung der nächsten Generation nichtflüchtiger Speichertechnologien, die in den extremsten Umgebungen funktionieren. Die Integration von Al1-xScxN mit den vielversprechenden Eigenschaften von GaN, wie z. B. der breiten Bandlücke und den starken Ga-N-Bindungen, führt zu der Vision einer reinen Nitrid-Halbleiterspeicherplattform, die die Begrenzung der Si-basierten Technologien für Hochtemperatur- und strahlungstolerante Anwendungen überwinden kann. Daher zielt das gemeinsame Projekt WUMM2 der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und der NaMLab gGmbH (NaMLab) darauf ab, die natürliche chemische und strukturelle Kompatibilität von Al1-xScxN mit GaN zu nutzen, um vollständig nitridbasierte nichtflüchtige Speicher zu entwickeln, die in extremen Umgebungen funktionieren. Im Rahmen des Projekts werden zwei Integrationsansätze bewertet und verglichen. CAU wird die Optimierung von Metall/Al1-xScxN/GaN-Heterostrukturen mit dem Ziel einer guten Epitaxiequalität führen. NaMLab wird die Entwicklung von Metall/Al1-xScxN/Metall/GaN-Heterostrukturen leiten, welche von flexibleren elektrischen Randbedingungen profitieren. Im Rahmen des Projekts sind drei Optimierungsphasen geplant, um den optimalen Sc-Gehalt, die optimale Dicke der ferroelektrischen Schicht, des Elektrodenmaterials und der Grenzflächeneigenschaften für den Betrieb in rauen Umgebungen zu ermitteln. In jeder Optimierungsphase werden mikrometergroße und submikrometergroße, lateral skalierte Bauteile hergestellt und ihre strukturelle und elektrische Charakterisierung in hochmodernen Reinräumen und Forschungseinrichtungen durchgeführt. Insbesondere wird ein umfangreicher Satz experimenteller Techniken von der Impedanzspektroskopie bis zur Rastertransmissionselektronenmikroskopie eingesetzt, um mögliche umwelt- und betriebsbedingte Degradationen zu untersuchen, wie z. B. solche, die durch hohe Temperaturen und feld- und strahlungsinduzierte Aufladungseffekte verursacht werden. Das vertiefte wissenschaftliche Verständnis wird mit der elektrischen Leistung der Bauelemente korreliert, um die Machbarkeit von ferroelektrischen nitrid-basierten Speichern mit unerreichter langfristiger Datensicherheit in rauen Umgebungen zu demonstrieren. Durch die Kombination der sich ergänzenden Fachkenntnisse von CAU und NaMLab auf dem Gebiet der Nitrid-Ferroelektrika sowie der Ferroelektrika und Speicherbauelemente im Allgemeinen zielt das Projekt WUMM2 darauf ab, eine der vielversprechendsten neuen Anwendungen für Al1-xScxN zu demonstrieren und gleichzeitig den Wissenstransfer zwischen jungen Forschern auf dem Gebiet der Materialwissenschaften, der Elektrotechnik und der Nanoelektronik zu fördern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Uwe Schröder