»Es ist ein echter Durchbruch für die Halbleitertechnologie«

Der IAF-Forscher Stefano Leone erklärt, wie sein Patent über das Wachstum von AlScN mittels MOCVD die Leistungselektronik der Zukunft revolutionieren könnte und was Disneys Dumbo damit zu tun hat.

Dr. Stefano Leone
© Fraunhofer IAF
Dr. Stefano Leone

Wie erklärst du anderen in einfachen Worten, worum es bei dem Patent geht?

Vor Kurzem habe ich mit meiner kleinen Tochter den Film Dumbo gesehen. Darin geht es um einen kleinen Elefanten mit großen Ohren, der das Fliegen lernt. Und dann erzählte ich ihr stolz, dass ich auch einen Dumbo zum Fliegen gebracht habe. Denn genau das ist die Schwierigkeit beim Wachsen von AlScN durch MOCVD: Das Scandium-Molekül ist ziemlich groß und schwer – genauso wie Dumbo – deshalb benötigt man das richtige Material, um es in die Gasphase zu bringen. Meinem Team und mir ist es trotzdem gelungen, den Scandium-Dumbo zum Fliegen zu bringen.

Reines Scandium
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Reines Scandium

Wie schätzt du die Bedeutung deines Patents ein?

Unser Patent ist bahnbrechend für viele unterschiedliche industrielle Bereiche, denn es umfasst nicht nur AlScN, sondern deckt das epitaktische Wachstum von beliebigen Materialien mittels MOCVD ab. Es gibt viele chemische Elemente, die sich mit unserem Verfahren in die Gasphase bringen lassen und damit neue technologische Möglichkeiten eröffnen. Yttrium, zum Beispiel, ist für hocheffiziente grüne LEDs sehr interessant. Und Scandium kann für effizientere UV-LEDs genutzt werden, die bei der Desinfektion von Wasser eingesetzt werden. Daher wird auch die Optoelektronikindustrie von unserer Forschung profitieren.

Das klingt spannend!

Absolut! Es gibt Supraleiter wie Niobnitrid, die beim Quantencomputing eine große Rolle spielen könnten, weil sie eine festkörperbasierte Miniaturisierung ermöglichen. Niobnitrid wird derzeit per Molekularstrahlepitaxie gewachsen, allerdings ist dieses Verfahren für die industrielle Produktion nicht geeignet. Mit dem in unserem Patent beschriebenen Verfahren könnten wir es für industrielle Ansprüche herstellen.  

Und wenn wir noch weiter in die Zukunft denken: Es gibt Forschergruppen, die mit Hilfe der künstlichen Intelligenz alle möglichen Materialverbindungen der Natur, insbesondere rund um die Nitride, theoretisch generieren und Vorhersagen über die Eigenschaften dieser Materialien treffen. Wenn Sie eine bestimmte Verbindung finden, die theoretisch eine supraleitende Charakteristik schon bei Temperaturen von flüssigem Stickstoff aufweist, dann könnten wir sie mittels MOCVD herstellen. Die Möglichkeiten für die Zukunft sind also enorm.

Neben AlScN – wie auf dem Wafer zu sehen – können auch viele andere Metalle nun per MOCVD gewachsen werden.
© Fraunhofer IAF / demonhawk - stock.adobe.com
Neben AlScN – wie auf dem Wafer zu sehen – können auch viele andere Metalle nun per MOCVD gewachsen werden.

Wie ist das Patent entstanden?

Den Traum AlScN per MOCVD zu wachsen, hatten wir bereits, als wir zum ersten Mal im Team zusammensaßen. Wir dachten: Wenn wir das schaffen, wären wir die Ersten auf der Welt, würden die Technologie des IAF bedeutend voranbringen und könnten zu unseren Freunden und Familien stolz erzählen, dass durch unseren Beitrag die Energieumwandlung viel effizienter wird. Aus diesem Traum wuchs die Motivation, es tatsächlich zu schaffen.  

Letztes Jahr haben wir unsere ersten Proben für Messungen in die USA geschickt. Die Ergebnisse wurden kurz nach Weihnachten erwartet. In der Nacht zuvor konnte ich kaum schlafen. Ich war so aufgeregt, dass ich immer wieder meine E-Mails checken musste. Und als die Ergebnisse schließlich um 4 Uhr nachts ankamen, zeigten sie, dass Scandium in den Schichten vorhanden war. Nur eine kleine Menge, aber immerhin. Das war der Moment, in dem ich wusste, dass wir es schaffen.

 

Techniker am Fraunhofer IAF haben den MOCVD-Reaktor für ihre Methode selbst umgebaut und angepasst.
© Fraunhofer IAF
Techniker am Fraunhofer IAF haben den MOCVD-Reaktor für ihre Methode selbst umgebaut und angepasst.
Aus Traum wurde Realität: Das Team um Stefano Leone ist stolz auf seinen Erfolg.
© Fraunhofer IAF
Aus Traum wurde Realität: Das Team um Stefano Leone ist stolz auf seinen Erfolg.

Was bedeutet es für dich und dein Team, das zuvor Unmögliche geschafft zu haben?

Es ist ein echter Durchbruch für die Halbleitertechnologie und wir sind wirklich stolz. Die gesamte Gruppe hat Großartiges geleistet und es ist toll zu sehen, dass unsere Ergebnisse nicht nur in Europa, sondern auch in den USA und Japan so viel Anerkennung gefunden haben.

Wir haben hier am Fraunhofer IAF ein tolles Team, das seine gesamte Energie in dieses Ziel gesteckt hat. Unsere Techniker haben sogar den von uns verwendeten Epitaxiereaktor selbst umgebaut. Der Institutsleiter Oliver Ambacher und unser Geschäftsfeldleiter haben uns immer unterstützt und motiviert, weiterzumachen.

Woran forscht dein Team jetzt weiter?

Wir haben noch viel zu erforschen. Das Hauptziel ist es, AlScN für HEMT-Anwendungen auf höchstem Niveau herzustellen. Wir wollen eine bessere Leistung als moderne AlGaN-HEMTs erreichen. Dafür haben wir schon einige Vorversuche durchgeführt und sehr gute Ergebnisse erzielt. Wir arbeiten an der Optimierung der Parameter, wie z.B. einer saubereren Scandiumquelle. Letztendlich wollen wir unsere Technologie auf einen größeren Reaktor übertragen, um einen höheren Reifegrad zu erreichen, damit die Industrie unsere Technik nutzen kann. 

 

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Was denkst du, wie die Welt in 30 Jahren aussehen wird?

Oh, es wird bestimmt Quantencomputer geben und ich hoffe, dass unsere Technologie dazu beiträgt. Ich denke, dass auch Roboter in unserem Leben zahlreicher und normaler werden. Meine große Hoffnung ist, dass es uns gelingt, die Energieversorgung nachhaltig zu gestalten. Und dass der Prozess der Energieumwandlung selbst grün ist, so dass die Nebenprodukte wie CO2 auch zu einer Ressource werden. Wir müssen die Natur in unsere Labore bringen und aus ihr lernen. Ich bin sicher, dass wir mit der Synergie all unseres Wissens – Chemie, Biologie, Physik, Elektrotechnik und so weiter – eine Welt gestalten können, die unseren Kindern ein Geschenk ist.

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Dr. Stefano Leone und seiner Forschergruppe ist das bisher Unmögliche gelungen: Weltweit zum ersten Mal haben sie Aluminiumscandiumnitrid (AlScN) per metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) hergestellt. Damit ist der Weg geebnet, Leistungselektronik auf Basis des Hochleistungsmaterials AlScN in industriell ausreichender Qualität sowie Produktivität herzustellen. Das Patent dazu trägt den Namen »Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Schicht, damit versehenes Substrat und dessen Verwendung«.