Los científicos del Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido IAF han logrado lo que antes se consideraba imposible:son los primeros en el mundo que han logrado fabricar nitruro de escandio de aluminio (AlScN) a través de la deposición de vapor químico organometálico (MOCVD). Los dispositivos basados ​​en AlScN se consideran la próxima generación de electrónica de potencia. Con este avance, Fraunhofer IAF da un paso decisivo hacia su objetivo de desarrollar electrónica de potencia basada en transistores AlScN para aplicaciones industriales.

Los transistores basados ​​en AlScN son prometedores para diversas aplicaciones industriales, como la transferencia de datos, comunicación por satélite, sistemas de radar o conducción autónoma, especialmente porque los dispositivos actuales basados ​​en silicio (Si) están llegando a su límite físico en estas aplicaciones. Una razón de esto es el tamaño de los dispositivos de Si, que no se puede reducir más según el estado actual de la investigación. Si las cantidades cada vez mayores de datos tuvieran que procesarse con la tecnología de Si actual, las salas de servidores ocuparían un área tan grande que sería económica y ecológicamente insostenible. Los denominados HEMT (transistores de alta movilidad de electrones) superan con creces las posibilidades de los dispositivos de Si. La clave del éxito de las estructuras HEMT radica en los materiales en los que se basan. AlScN tiene propiedades excepcionales, permitiendo concentraciones de portador más altas que otros materiales. En el futuro, Se realizarán HEMT significativamente más potentes y eficientes basados ​​en AlScN.

Los procesos de fabricación anteriores han fallado debido a la calidad y la productividad.

La producción de AlScN implica desafíos fundamentales. El proceso de producción de última generación hace crecer capas de AlScN mediante pulverización catódica. Desafortunadamente, la calidad de estas capas es insuficiente para aplicaciones electrónicas como LED y transistores de alta potencia. Un método alternativo es producir AlScN mediante epitaxia de haz molecular (MBE). Con este proceso, se pueden incorporar al compuesto grandes cantidades de escandio. La calidad también es suficiente para la producción de dispositivos microelectrónicos. Sin embargo, el procedimiento es muy complejo y la productividad demasiado baja para producciones a escala industrial.

La deposición de vapor químico metal-orgánico promete una producción de grado industrial

La producción de AlScN a través de MOCVD promete no solo la calidad necesaria, pero también suficiente productividad para aplicaciones industriales. "Sabíamos que los intentos anteriores de otros científicos para producir nitruro de galio escandio a través de MOCVD habían fracasado. También sabemos que muchos científicos de todo el mundo están trabajando para desarrollar transistores AlScN, pero nadie antes que nosotros ha logrado hacerlo mediante el uso de MOCVD, aunque es un enfoque muy prometedor para la industria, "explica el Dr. Stefano Leone, líder de grupo en Fraunhofer IAF. Durante el procedimiento MOCVD, los gases se guían a través de una oblea calentada. A través de la exposición al calor, se liberan distintas moléculas del gas y se integran en la estructura cristalina de la oblea. La estructura cristalina se puede ajustar con precisión regulando el flujo de gas, temperatura y presión. Es más, el cambio rápido de gas permite hacer crecer diferentes capas de material una encima de la otra.

Fraunhofer IAF logra la novedad

El desafío para los investigadores de Fraunhofer IAF:no hay una fuente de gas para el escandio. Las moléculas (precursoras) del escandio son muy grandes y difíciles de llevar a la fase gaseosa. "Estudiamos el mejor precursor posible para el escandio y planificamos ajustes de nuestro reactor MOCVD para el procedimiento necesario. Hicimos mucha investigación y tuvimos numerosas discusiones hasta que desarrollamos una configuración que ahora incluso estamos patentando. Ahora hemos tenido éxito en el crecimiento de AlScN capas a través de MOCVD con una calidad de cristal muy alta y la cantidad adecuada de escandio para desarrollar la próxima generación de transistores de potencia, "dice Leone, satisfecho con el logro. El sistema MOCVD en Fraunhofer IAF ha sido modificado por el grupo de investigación para permitir un proceso de producción de AlScN reproducible y de alta calidad.

Primeras capas AlScN para transistores del MOCVD

Después de la deposición exitosa de AlScN en el sistema MOCVD, Se produjeron las primeras capas de AlScN para transistores. Las capas ya alcanzan resultados prometedores con una resistencia laminar de ~ 200 ohmios / m2, una movilidad de ~ 600 cm ² / Vs y una densidad de portadora de carga de ~ 4.0 x 10 ¹³ cm ^-2 . El objetivo actual de los científicos es reducir la resistencia de la hoja y aumentar aún más la movilidad y la calidad del material. Esto mejorará el rendimiento de los transistores futuros y Fraunhofer IAF dará un paso significativo hacia su objetivo de proporcionar AlScN HEMT para aplicaciones de electrónica de potencia industrial.