Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAFForscher an der Christian-Albrechts-Universität CAU zu Kiel entdeckten im vergangenen Jahr erstmals Ferroelektrizität in einem III-V-Halbleiter-basierten Material. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 2,3 Mio. Euro geförderten Projekt untersucht das Fraunhofer IAF zusammen mit dem Fraunhofer ISIT in Itzehoe und der CAU in Kiel, inwieweit diese vielversprechende Entdeckung technisch nutzbar gemacht werden kann.
Piezoelektrische Materialien erzeugen elektrische Spannungen, wenn sie verformt werden, und umgekehrt ändern sie ihre Form, wenn man an sie eine elektrische Spannung anlegt. Mit diesen Materialien können also Bewegungen in elektrische Signale und elektrische Signale in Bewegung gewandelt werden. Sie werden für Mikroantriebe genutzt, um beispielsweise Chiplautsprecher anzutreiben oder winzig kleine Laserscannerspiegel in Bewegung zu setzen. Den umgekehrten Effekt verwenden die Entwickler, wenn es darum geht, aus Bewegungen elektrische Signale zu erzeugen, wie beispielsweise in Mikrofonen oder magnetisch arbeitenden Sensoren.
An der CAU in Kiel hat der Materialwissenschaftler Simon Fichtner die Entdeckung gemacht, dass Aluminiumscandiumnitrid (AlScN) auch ferroelektrische Eigenschaften besitzt. Das bedeutet, dass Kristalle aus AlScN eine permanente, räumliche elektrische Ausrichtung besitzen können, die man beim Anlegen einer elektrischen Spannung schalten kann. »Diese Eigenschaft kann beispielsweise dazu verwendet werden, Informationen zu speichern oder besonders große Kräfte für hocheffiziente Aktuatoren bereitzustellen. Damit kann diese Entdeckung in der Welt der Technik eine große Tragweite haben. Dies gilt insbesondere, da AlScN in Bezug auf wichtige ferroelektrische Parameter in Bereiche vorstößt, welche mit etablierten Materialien zuvor nicht möglich waren«, erläutert Dr. Fabian Lofink, Geschäftsfeldleiter MEMS-Anwendungen am Fraunhofer ISIT.
In dem gemeinsamen Projekt soll nun in den kommenden vier Jahren das Innovationspotential dieser Entdeckung ausgelotet werden. So arbeitet das Fraunhofer IAF im Rahmen des Projekts daran, auf Basis der ferroelektrischen Eigenschaft nichtflüchtige Transistoren zu entwickeln, die im Gegensatz zu herkömmlichen Transistoren ihren Schaltungzustand erhalten, auch wenn die elektrische Steuer-Spannung abgestellt wird. »Damit könnte es zum Beispiel im Bereich der Leistungselektronik möglich sein, Schaltfunktionen zu integrieren.«, erläutert Dr. Michael Mikulla, Geschäftsfeldleiter der Leistungselektronik am Fraunhofer IAF. Im Projekt sollen dazu ferroelektrische AlScN-Schichten mit Galliumnitrid-basierten Bauelementen für die moderne Mikroelektronik kombiniert werden.