Materialien für Elektronik in rauen Umgebungen
Elektronische Geräte und Sensoren müssen oft bei hohen Temperaturen, in hohen elektrischen Feldern oder stark korrosiven Umgebungen eingesetzt werden. Das EU-finanzierte Projekt MORGAN (Materials for robust gallium nitride) untersuchte, wie Heterostrukturen aus Diamant und Galliumnitrid (GaN) verwendet werden können, um die besten Materialien für solche Bedingungen herzustellen. Die Projektpartner entwickelten innovative diamantbasierte Verbundsubstrate und führten die erste europäische Demonstration von 2-Zoll-Wafern durch. Sie untersuchten das direkte Wachstum von GaN auf Einkristall- und Polykristalldiamanten. Zweidimensionale Elektronengaseinschlüsse konnten auf beiden Arten von kristallinen Diamantstrukturen unter Kontrolle gebracht werden. Das MORGAN-Team entwickelte GaN-Wachstum auf einer Vielzahl von Substraten wie Saphir, Siliciumcarbid, Silizium und Verbundstoff, wobei spezifische, nachgiebige Schichten und Keimbildungsschemata oder Zwischenschicht verwendet wurden, um kristalline und thermische Ausdehnungsfehlanpassungen auszugleichen. Die Forscher demonstrierten den ersten Hoch-Elektronen-Beweglichkeitstransistor (HEMT), der durch direktes Wachstum einer GaN-Heterostruktur auf Einkristalldiamant erhalten wurde. Es zeigte einen Mikrowellenbetrieb mit Grenzfrequenzen im Bereich von 40 GHz. Die Wissenschaftler realisierten Wachstum von Indium-Aluminiumnitrid/GaN-HEMT auf diamantbasierten Verbundsubstraten. Sie entwickelten außerdem hochtemperatur- und elektrochemische Sensoren zusammen mit ihren zugehörigen Verpackungen. Demonstriert wurden Sensoren, die bis zu 80 bar funktionieren, wobei die Testtemperaturen bis zu 450 °C betrugen. Darüber hinaus wurden exzellente elektrochemische Sensoren mit schnellen Reaktionszeiten demonstriert. Ein robustes Verpackungsverfahren auf Basis von Keramik- und Silber-Verbindungen wurde entwickelt und erfolgreich auf bis zu 650 °C erhitzt. MORGAN demonstrierte auch erfolgreich effiziente 3D-Wärmetauscher mit Kupfer auf Basis der Inkjet-Technologie. Verbreitet wurden die Ergebnisse vor allem in 27 Artikeln und über 175 Vorträgen bei Großveranstaltungen. Durch die Kombination von Diamant und GaN zeigte MORGAN, wie diese beiden Materialien genutzt werden können, um die besten Materialien und Vorrichtungen für eine ultimative Leistung in extremen Umgebungen herzustellen, insbesondere für hohe Temperaturen und hohe elektrische Felder.
Schlüsselbegriffe
elektronische Geräte, Sensoren, MORGAN, Galliumnitrid, Diamant
