Las transferencias de datos móviles 5G requieren el uso de rangos de frecuencia cada vez mayores, todo lo cual debe acomodarse dentro de un solo dispositivo móvil. Por lo tanto, las demandas de los componentes de radiofrecuencia (RF) aumentan constantemente. El Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido IAF ha desarrollado novedosos, compacto, y filtros de RF de alta frecuencia / gran ancho de banda energéticamente eficientes para satisfacer esas necesidades. Durante el proyecto PiTrans, Los investigadores han logrado cultivar nitruro de escandio de aluminio (AlScN) con las especificaciones industriales requeridas y han realizado nuevos dispositivos electroacústicos para teléfonos inteligentes.

La cantidad de componentes de RF integrados en un solo teléfono inteligente ha aumentado significativamente en los últimos años, Y no hay final a la vista. Predecir esta tendencia en 2015, el proyecto "PiTrans — Desarrollo de capas de AlScN para los filtros de RF piezoeléctricos de próxima generación" se propuso desarrollar y producir transductores piezoeléctricos de RF mejorados con nitruros ternarios basados ​​en AlN como capa piezoactiva. Dentro de los cinco años del proyecto, Los investigadores lograron hacer crecer capas de AlScN altamente cristalinas y realizar resonadores de ondas acústicas de superficie (SAW) que cumplen con los crecientes requisitos de la industria. Para el crecimiento del material, que también es prometedor para otras aplicaciones de electrónica de potencia, En Fraunhofer IAF se estableció una moderna infraestructura de pulverización catódica de magnetrones.

Potencial y desafíos de AlScN

Para este día, AlScN sigue siendo el nuevo material más prometedor para reemplazar el nitruro de aluminio convencional (AlN) en las aplicaciones de filtros de RF dentro de los teléfonos móviles. Al introducir escandio (Sc) en AlN, aumenta el acoplamiento electromecánico y el coeficiente piezoeléctrico del material, permitiendo una conversión de energía mecánica a eléctrica más eficiente. Esto permite la producción de dispositivos de RF mucho más eficientes. Sin embargo, la inestabilidad de la fase cristalina piezoeléctrica de AlScN ha sido hasta ahora un problema para el uso industrial del material, ya que la segregación de AlN tipo wurtzita y ScN cúbico suele ocurrir durante el crecimiento. "En 2015, conocíamos el potencial de AlscN, pero necesitábamos encontrar las condiciones adecuadas para cultivarlo en un proceso estable y escalable, "dice el Dr. Žukauskaitė, que llevó a su equipo al éxito.

Crecimiento y desarrollo de dispositivos exitosos

En el transcurso del proyecto, Los científicos de Fraunhofer IAF lograron cultivar capas de AlScN altamente cristalinas con una amplia gama de composiciones hasta un contenido de Sc del 41 por ciento. Se logró una buena homogeneidad de las capas en toda la oblea de silicio (Si) hasta 200 mm de diámetro, que cumple con los requisitos de la producción industrial. Además de estos resultados relevantes para la industria, El equipo del proyecto también logró realizar un crecimiento epitaxial en zafiro emparejado en celosía (Al ₂ O ₃ ) sustratos a través de un método especial de deposición de epitaxia de pulverización catódica (MSE), que será útil para futuras investigaciones de materiales.

Además del exitoso desarrollo de materiales, los investigadores produjeron tres generaciones de estructuras de prueba para demostrar el rendimiento de las películas delgadas de AlScN. La implementación de MSE para producir AlScN / Al ₂ O ₃ Los resonadores basados ​​en datos conducen a un aumento de acoplamiento electromecánico de hasta un 10% a una frecuencia de 2 GHz. En colaboración con las empresas Evatec y Qualcomm, También se desarrolló una película delgada de AlScN no polar que mejora aún más el acoplamiento electromecánico de los resonadores SAW. Esta tecnología se está investigando más a fondo, y los primeros resultados se han publicado recientemente en un artículo científico.

AlScN para otras aplicaciones

"Vemos a AlScN como un candidato muy prometedor para habilitar aplicaciones futuras que aprovechen el efecto piezoeléctrico, como tecnologías de sensores y transistores de alta movilidad de electrones, "explica el Dr. Žukauskaitė. El éxito del proyecto PiTrans condujo a la adquisición de otros dos proyectos relacionados con la tecnología AlScN en Fraunhofer IAF. En el proyecto mAgnes, se están investigando sensores de corriente de banda ancha como los que se utilizan en los coches eléctricos; en el proyecto SALSA, el equipo de investigación está desarrollando nuevos tipos de intercambiables, transistores de alta movilidad de electrones (HEMT). Ambos proyectos se benefician de la experiencia del equipo en el crecimiento de AlScN y el desarrollo de dispositivos basados ​​en AlScN, así como la infraestructura necesaria establecida en Fraunhofer IAF.