Innovativ metod banar väg för framtida elektronik

Presentation
Karl Rönnby, doktorand, Polla Rouf, doktorand, Henrik Pedersen, professor, Chih-Wei Hsu, förste forskningsingenjör och Nathan O’Brien, biträdande universitetslektor på Linköpings universitet. Foto: Lasse Hejdenberg
Karl Rönnby, doktorand, Polla Rouf, doktorand, Henrik Pedersen, professor, Chih-Wei Hsu, förste forskningsingenjör och Nathan O’Brien, biträdande universitetslektor på Linköpings universitet. Foto: Lasse Hejdenberg

Mobiler, datorer och trådlös överföring av data kan förbättras med den nya metod som forskare vid Linköpings universitet har tagit fram. Bättre egenskaper för halvledande metallnitridfilmer ger elektroingenjörer redskap för att bygga bättre elektronik.

All elektronik bygger på halvledare som kan fås att leda ström på ett kontrollerat sätt. Professor Henrik Pedersens forskargrupp vid Linköpings universitet utvecklar metoder för att skapa tunna metallnitridfilmer med bättre kvalitet, vilket kan förbättra framtidens elektronik. Projektet får bidrag från SSF.

Använder tiden i kemin
En grundprocess för tillverkning av ytskikt och tunna lager av olika material är Chemical Vapour Deposition (CVD). Olika gaser leds in i en ugn samtidigt och får reagera med varandra och den yta som tunnfilmen ska finnas på. Processen har vissa begränsningar, och utgångspunkten för projektet var att utveckla metoden för att kunna göra bättre halvledarmaterial.
– Genom att använda tiden på ett smart sätt kan vi få kemin att fungera bättre. Det vi ville testa var om det gick att förbättra kvaliteten på filmerna genom att tidsupplösa tillförseln av gaserna i CVD. En gas i taget skickas in i ugnen på ett tidsbestämt och väldigt kontrollerat sätt. Metoden kallas för ALD och står för atomlagerdeponering – vi deponerar ett lager atomer åt gången som får reagera med den yta som metallfilmen ska finnas på, berättar Henrik Pedersen.
Forskargruppen jobbar med metallerna aluminium, gallium och indium. När dessa metaller reagerar med kväve, bildas nitrider som är vanliga material i halvledare. Galliumnitrid är till exempel grunden för alla ljusdioder.

Lägre temperaturer krävs
– Framför allt indiumnitrid är väldigt temperaturkänslig och fungerar därför inte med den traditionella CVD-processen. En superspännande egenskap hos ämnet är att elektroner förflyttar sig väldigt enkelt genom det. Därför är indiumnitrid lämpligt vid utveckling av elektronik som kan överföra data vid högre frekvenser. Dagens överföring av trådlös dataöverföring slår snart i taket eftersom vi inte kommer att ha tillräckligt med frekvenser att överföra i. Då måste vi upptäcka material som kan komma åt nya frekvenser. Indium-nitrid är ett sådant ämne, säger Henrik Pedersen.
Annan elektronik som kan förbättras med hjälp av nya material är till exempel mobiltelefoner, datorer, ljusdioder och radarutrustning.

Plasma hjälper kemin på traven
I den nya metoden används också plasmaurladdningar för att underlätta kemin och skapa reaktioner vid lägre temperatur. Henrik Pedersen berättar hur det fungerar:
– Vissa molekyler som reagerar lite trögare kan brytas ner genom att vi lägger på ett elektrisk fält kring gasen. Då slits atomerna isär så att fria elektroner och joner skapas. Så fungerar det i plasmaskärmar, lysrör och norrsken. Med hjälp av denna metod kan vi skapa material vid lägre temperatur. Vi hjälper kemin på vägen med hjälp av plasma och tidsupplösning.

Skapat helt ny molekyl
Forskargruppen är världsledande på metoden ALD för nitrider av aluminium, gallium och indium. Man har precis publicerat en studie kring en helt ny molekyl som ingen någonsin tidigare har gjort eller använt. Studien visar att molekylen fungerar väldigt väl i processen för att skapa indiumnitrid. Forskarna har även visat att indiumnitriden kopierar ytans struktur, vilket är en egenskap som är viktig när man skapar halvledarkomponenter.
– Vi har visat att grundidén för projektet funkar. Nu finns det ett sätt att göra indiumnitrid i elektronik. Det innebär att vi låser upp problem och ger elektroingenjörer möjligheter att tänka i nya banor, säger Henrik Pedersen.

Ännu fler möjligheter i sikte
Nästa steg som Henrik Pedersens grupp tittar på är kombinationer av de olika ämnena. Hittills har de gjort ren aluminium-, gallium- respektive indiumnitrid.
– Nu ska vi börja blanda ämnena och göra till exempel aluminiumgalliumnitrid – en blandning av aluminium, gallium och kväve. Genom att blanda ämnena i olika förhållanden, kan vi få fram spännande materialegenskaper.
Ett annat område forskarna sneglar mot är att med kemins hjälp följa ytans struktur ännu lättare:
– Vi vill öppna upp för möjligheterna att i framtiden att skapa ännu mer komplicerade elektroniska komponenter där materialet måste ner i små hål. Det kan du bara göra med tidsupplöst CVD. Genom att komma åt fler egenskaper, öppnas nya möjligheter upp inom elektroniken.

LiU – Framtidens Elektronik
Forskningsprojektet på Linköpings universitet leds av professor Henrik Pedersen och får bidrag från Stiftelsen för Strategisk Forskning, SSF. Målet med denna materialforskning är att möjliggöra spännande utveckling av elektronik.

För mer information, kontakta:
Professor Henrik Pedersen
E-post: henrik.pedersen@liu.se
Tel: 013-28 13 85


Publicerad: 18 juni, 2020