Kemi banar väg för bättre elektronikmaterial

Indiumnitrid är ett mycket lovande material för användning i elektronik, men svårt att tillverka. Forskare vid LiU har utvecklat en ny molekyl med vilken de kan skapa indiumnitrid av hög kvalitet, vilket kan öppna upp för att använda indiumnitrid i exempelvis högfrekvenselektronik.

fyrkantig skiva som hålls med en tång.Ett tunt lager indiumnitrid ovanpå kiselkarbid, som skapats med LiU-forskarnas nya molekyl. Foto Magnus Johansson

Bandbredden vi använder i dag för trådlös dataöverföring utnyttjas snart till sin fulla kapacitet. Om mängden data ska kunna fortsätta öka, behöver bandbredden ökas med fler frekvenser. Kanske kan materialet indiumnitrid vara en del av lösningen.Fyra forskare i vita skyddsrockar i ett kemilabb. Rouzbeh Samii, Henrik Pedersen, Nathan O’Brien och Polla Rouf i labbet. Foto Magnus Johansson

– Eftersom elektroner rör sig väldigt lätt genom indiumnitrid, innebär det att man kan skicka elektroner fram och tillbaka genom materialet i mycket hög hastighet och skapa signaler med väldigt hög frekvens. Det gör indiumnitrid lämpligt att använda i högfrekvenselektronik, exempelvis för nya frekvenser för trådlös dataöverföring, säger Henrik Pedersen, professor i oorganisk kemi vid Institutionen för fysik, kemi och biologi (IFM) vid Linköpings universitet, som har lett studien som nyligen publicerades i tidskriften Chemistry of Materials.

Indiumnitrid består av metallen indium och kväve. Det är ett halvledarmaterial, och kan därför användas för att göra transistorer, vilka är grunden för all elektronik. Problemet är att det är svårt att göra tunna filmer av indiumnitrid. Tunnfilmer av liknande halvledarmaterial skapas ofta med den beprövade metoden CVD (chemical vapour deposition), där temperaturer mellan 800 och 1 000 ºC används. Men om man värmer indiumnitrid över 600 ºC bryts det ner i sina beståndsdelar, indium och kvävgas.Ung man i skyddskläder vid utrustning i ett laboratorium.Doktoranden Polla Rouf vid ALD-reaktorn, där forskarna gör tunna filmer av indiumnitrid. Foto Magnus Johansson

Forskarna bakom den aktuella studien har i stället använt en variant av CVD-metoden som kallas atomlagerdeponering (ALD), som fungerar vid lägre temperaturer. De har utvecklat en ny molekyl, en så kallad indiumtriazenid.

Ingen hade forskat på sådana indiumtriazenider tidigare och LiU-kemisterna fann snart att triazenidmolekylen har stor potential som startmaterial vid tillverkning av tunnfilmer.illustration av molekylenJämfört med tidigare testade molekyler bytte forskarna ut kolatomer mot kväveatomer, och fick en molekyl med en indiumatom i mitten, omgiven av tre molekylfragment, där tre kväve bildar en ”brygga” (triazenid). Foto Karl Rönnby

De flesta elektronikmaterial måste skapas genom att tunnfilmen växer på en yta som styr hur strukturen på kristallen i elektronikmaterialet blir, så kallad epitaxiell tillväxt. Forskarna visar att det är möjligt med epitaxiell tillväxt av indiumnitrid om kiselkarbid används som substrat, något som inte visats tidigare. Dessutom är indiumnitriden som de skapar på det här sättet mycket ren från föroreningar och bland den bästa indiumnitriden i världen.

– Molekylen som vi har skapat, en indiumtriazenid, öppnar upp för att använda indiumnitrid i elektronik. Vi har visat att man kan göra indiumnitrid på ett sätt som gör att den blir tillräckligt ren för att man verkligen ska kunna prata om den som ett riktigt elektronikmaterial, säger Henrik Pedersen.

Bättre av att "gå sönder" lite

Dessutom gjorde forskarna en annan upptäckt. Den rådande synen inom ALD-fältet är att molekylerna inte ska reagera eller sönderdelas på något sätt i gasfasen. Men när forskarna varierade temperaturen under beläggningsprocessen upptäckte de att det fanns inte bara ett, utan två temperaturintervall där processen var stabil.manlig forskare vid ett dragskåp i ett kemilabb.Nathan O'Brien vid handskboxen där de luft- och fuktkänsliga molekylerna syntetiseras. Foto Magnus Johansson

– Indiumtriazeniden bryts ner till mindre fragment i gasfasen vilket ger en bättre ALD-process. Det är ett paradigmskifte inom ALD att använda molekyler som inte är helt stabila i gasfasen. Vi visar att om vi låter vår nya molekyl brytas ner lite i gasfasen blir slutresultatet bättre, säger Henrik Pedersen.

Forskarna utforskar nu liknande triazenidmolekyler med andra metaller, vilket gett lovande resultat för att skapa molekyler för ALD även med dessa metaller.

Studien har genomförts tillsammans med forskare från Sveriges Lantbruksuniversitet i Uppsala och Carleton University i Ottawa, Kanada. Den har finansierats med stöd av Stiftelsen för strategisk forskning (SSF) och Knut och Alice Wallenbergs stiftelse. Nathan O´Brien, biträdande universitetslektor vid IFM vid Linköpings universitet, är studiens huvudförfattare.

Artikeln:In Situ Activation of an Indium(III) Triazenide Precursor for Epitaxial Growth of Indium Nitride by Atomic Layer Deposition”, Nathan J. O’Brien, Polla Rouf, Rouzbeh Samii, Karl Rönnby, Sydney C. Buttera, Chih-Wei Hsu, Ivan G. Ivanov, Vadim Kessler, Lars Ojamäe och Henrik Pedersen, Chemistry of Materials, publicerad som open access den 24 april, doi: 10.1021/acs.chemmater.9b05171

Tunnfilm av indiumnitrid
Visa/dölj innehåll

Så funkar atomlagerdeponering (ALD)

Tunnfilmen av indiumnitrid byggs upp i en vakuumkammare genom att man skickar in en gas som innehåller indium och som får reagera med ytan där tunnfilmen ska bildas. Därefter skickar man in en gas som innehåller kväve som reagerar med ytan och bildar ett monolager av indiumnitrid.
Genom att växla mellan de båda gaserna flera hundra gånger byggs lager på lager tills tunnfilmen är färdig. De kemiska reaktionerna kan då ske vid 300 °C, vilket är mycket lägre temperaturer jämfört med vid CVD, där temperaturer mellan 800 och 1 000 ºC används.

Forskningsnyheter om ytor och tunna sikt
Visa/dölj innehåll

Mer om forskningen
Visa/dölj innehåll

Senaste nytt från LiU
Visa/dölj innehåll