Korrosionsbeständige Beschichtung für 2D-Halbleitermaterialien

Die Zukunft der Technologie hat ein uraltes Problem – Rost. Wenn eisenhaltiges Metall mit Sauerstoff und Feuchtigkeit reagiert, beeinträchtigt die daraus resultierende Korrosion die Langlebigkeit und Verwendung von Teilen in der Automobilindustrie erheblich. In der Halbleiterindustrie spricht man zwar nicht von „Rost“, aber Oxidation ist bei zweidimensionalen (2D) Halbleitermaterialien besonders problematisch. Sie steuert den Stromfluss in elektronischen Geräten, da jede Korrosion das atomar dünne Material unbrauchbar machen kann. 2D-Materialien sind ultradünn, nur ein oder wenige Atome dick. Sie sind vielversprechend für fortschrittliche Halbleiter, da ihre Dünnheit einen kürzeren und direkteren Weg für Elektronen bietet, die sich schnell und mit weniger Widerstand durch das Material bewegen können. Dies wiederum ermöglicht eine schnellere und effizientere elektronische Leistung.

Halbleiter sind Materialien, die unter bestimmten Bedingungen Strom leiten, unter anderen jedoch nicht, wodurch sie sich ideal zur Steuerung elektrischer Ströme in elektronischen Geräten eignen. Elektronische Geräte, die „Gehirne“ von Computerchips, werden aus diesen Materialien hergestellt. „Eines der größten Probleme, das wir heutzutage in der 2D-Halbleiterforschung sehen, ist die Tatsache, dass die Materialien schnell oxidieren“, sagte Joshua Robinson, Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik und Mitautor der Arbeit. „Man muss ihre langfristige Zuverlässigkeit sicherstellen, da sie in Transistoren oder Sensoren eingebaut werden, die jahrelang halten sollen. Im Moment halten diese Materialien im Freien nicht länger als eine Woche.“

Veranstaltungstipp: Korrosionsschutz

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Aus amorphem Bornitrid

Traditionelle Methoden zum Schutz dieser Materialien vor Rost umfassen Beschichtungen auf Oxidbasis, aber bei diesen Verfahren wird oft Wasser verwendet, das ironischerweise genau die Oxidation beschleunigen kann, die sie eigentlich verhindern sollen. Der Ansatz des Teams bei diesem Problem bestand darin, ein Beschichtungsmaterial und eine Methode zu suchen, bei denen auf die Verwendung von Wasser vollständig verzichtet werden kann. Hier kommt amorphes Bornitrid (a-BN) ins Spiel.

„Wir wollten bei diesem Prozess auf die Verwendung von Wasser verzichten und haben uns daher überlegt, welche Art von 2D-Materialien wir herstellen können, bei deren Verarbeitung kein Wasser verwendet wird, und amorphes Bornitrid ist eine davon“, so Robinson. Als nichtkristalline Form von Bornitrid ist a-BN für seine hohe thermische Stabilität und seine elektrischen Isoliereigenschaften bekannt, wodurch es sich ideal für den Einsatz in Halbleitern zur Isolierung von Bauteilen, zur Vermeidung unerwünschter elektrischer Ströme und zur Verbesserung der Geräteleistung eignet. Robinson erklärte, dass a-BN eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweist, ein Maß für die Fähigkeit des Materials, hohen elektrischen Feldern standzuhalten, ohne zu brechen, ein entscheidender Faktor für eine zuverlässige elektronische Leistung.
„Die hohe dielektrische Festigkeit von a-BN ist mit den besten verfügbaren Dielektrika vergleichbar, und wir brauchen kein Wasser, um es herzustellen“, sagte Robinson. „In der Arbeit haben wir gezeigt, dass die Verwendung von amorphem Bornitrid im Vergleich zu herkömmlichen Dielektrika allein zu einer verbesserten Geräteleistung führt.“

Zweistufiges Verfahren zur Atomlagenabscheidung

Während die Beschichtung dazu beitrug, einen besseren 2D-Transistor herzustellen, erwies sich laut Robinson die Beschichtung der 2D-Materialien als Herausforderung. Zweidimensionalen Materialien fehlen freie Bindungen, d. h. ungepaarte Elektronen auf der Oberfläche eines Materials, die mit anderen Atomen reagieren oder sich mit ihnen verbinden. Ein Standard-Einschrittverfahren, bei dem die Materialien bei höheren Temperaturen beschichtet werden, führte zu ungleichmäßigen und diskontinuierlichen Beschichtungen, die weit unter der Qualität liegen, die für eine einwandfreie Funktion der Elektronik erforderlich ist. Um 2D-Materialien gleichmäßig mit a-BN zu beschichten, entwickelte das Team ein neues zweistufiges Atomlagenabscheidungsverfahren. Dabei wird zunächst eine dünne a-BN-„Keimschicht“ bei niedriger Temperatur aufgebracht, bevor die Kammer auf typische Abscheidungstemperaturen zwischen 250 und 300 °C aufgeheizt wird. Dies ermöglichte es den Forschenden nicht nur, eine gleichmäßige a-BN-Beschichtung auf den 2D-Halbleitern herzustellen, sondern führte auch zu einer Verbesserung der Transistorleistung um 30 % bis 100 % – je nach Transistordesign – im Vergleich zu Geräten, die kein a-BN verwenden.

„Wenn man 2D-Halbleiter zwischen dem amorphen Bornitrid einbettet, erhält man, obwohl es amorph ist, sozusagen eine glattere elektronische Straße, die eine verbesserte Elektronik ermöglichen würde“, erklärte Robinson. „Die Elektronen können schneller durch das 2D-Material fließen, als wenn sie sich zwischen anderen dielektrischen Materialien befinden würden.“ Er merkte an, dass die Forscher:innen trotz der hohen Durchschlagsfestigkeit von a-BN das Potenzial dieses Materials als Dielektrikum für Halbleiterbauelemente noch nicht einmal ansatzweise ausgeschöpft haben. „Es gibt noch Verbesserungspotenzial, obwohl es bereits andere dielektrische Materialien übertrifft“, fügte Robinson hinzu. „Im Moment versuchen wir vor allem, die Gesamtqualität des Materials zu verbessern und es dann in einige komplexe Strukturen zu integrieren, die man in der Elektronik der Zukunft sehen würde.“

Quelle: The Pennsylvania State University