Gli scienziati del Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF hanno ottenuto ciò che in precedenza era considerato impossibile:sono i primi al mondo ad essere riusciti a produrre nitruro di scandio di alluminio (AlScN) tramite deposizione chimica da vapore metallo-organico (MOCVD). I dispositivi basati su AlScN sono considerati la prossima generazione di elettronica di potenza. Con questa svolta, Fraunhofer IAF compie un passo decisivo verso il suo obiettivo di sviluppare elettronica di potenza basata su transistor AlScN per applicazioni industriali.

I transistor basati su AlScN sono promettenti per varie applicazioni industriali, come il trasferimento di dati, comunicazione satellitare, sistemi radar o guida autonoma, soprattutto perché gli attuali dispositivi basati sul silicio (Si) stanno raggiungendo il loro limite fisico in queste applicazioni. Uno dei motivi è la dimensione dei dispositivi Si, che non può più essere ridotto secondo lo stato attuale della ricerca. Se le quantità sempre crescenti di dati dovessero essere elaborate con l'attuale tecnologia Si, le sale server occuperebbero un'area così ampia da risultare economicamente ed ecologicamente insostenibile. I cosiddetti HEMT (transistor ad alta mobilità degli elettroni) superano di gran lunga le possibilità dei dispositivi al silicio. La chiave del successo delle strutture HEMT risiede nei materiali su cui si basano. AlScN ha proprietà eccezionali, consentendo concentrazioni di vettori più elevate rispetto ad altri materiali. Nel futuro, saranno realizzati HEMT significativamente più potenti ed efficienti basati su AlScN.

I precedenti processi di produzione hanno fallito a causa della qualità e della produttività

La produzione di AlScN comporta sfide fondamentali. Il processo di produzione all'avanguardia accresce gli strati di AlScN tramite sputtering. Sfortunatamente, la qualità di questi strati è insufficiente per applicazioni elettroniche come LED e transistor ad alta potenza. Un metodo alternativo consiste nel produrre AlScN tramite epitassia a fascio molecolare (MBE). Con questo processo, elevate quantità di scandio possono essere incorporate nel composto. La qualità è sufficiente anche per la produzione di dispositivi microelettronici. Però, la procedura è molto complessa e la produttività troppo bassa per produzioni su scala industriale.

La deposizione di vapore chimico metallo-organico promette una produzione di livello industriale

La produzione di AlScN tramite MOCVD promette non solo la qualità necessaria, ma anche una produttività sufficiente per le applicazioni industriali. "Sapevamo che i precedenti tentativi di altri scienziati di produrre nitruro di gallio scandio tramite MOCVD erano falliti. Sappiamo anche che molti scienziati in tutto il mondo stanno lavorando per sviluppare transistor AlScN, ma nessuno prima di noi è riuscito a farlo utilizzando MOCVD, anche se è un approccio molto promettente per l'industria, " spiega il Dott. Stefano Leone, capogruppo al Fraunhofer IAF. Durante la procedura MOCVD i gas vengono guidati attraverso un wafer riscaldato. Attraverso l'esposizione al calore molecole distinte vengono rilasciate dal gas e integrate nella struttura cristallina del wafer. La struttura cristallina può essere regolata con precisione regolando il flusso di gas, temperatura e pressione. Per di più, il rapido cambio di gas permette di far crescere diversi strati di materiale uno sopra l'altro.

Fraunhofer IAF raggiunge novità

La sfida per i ricercatori del Fraunhofer IAF:non esiste una fonte di gas per lo scandio. Le molecole (precursori) dello scandio sono molto grandi e difficili da portare in fase gassosa. "Abbiamo studiato il miglior precursore possibile per lo scandio e pianificato le regolazioni del nostro reattore MOCVD per la procedura necessaria. Abbiamo fatto molte ricerche e abbiamo avuto numerose discussioni fino a quando non abbiamo sviluppato una configurazione che ora stiamo persino brevettando. Ora siamo riusciti a far crescere AlScN strati via MOCVD con un'altissima qualità del cristallo e la giusta quantità di scandio per sviluppare la prossima generazione di transistor di potenza, "dice Leone, soddisfatto del risultato. Il sistema MOCVD al Fraunhofer IAF è stato modificato dal gruppo di ricerca per consentire un processo di produzione AlScN di alta qualità e riproducibile.

Primi strati AlScN per transistor dal MOCVD

Dopo il successo della deposizione di AlScN nel sistema MOCVD, sono stati prodotti i primi strati AlScN per transistor. Gli strati raggiungono già risultati promettenti con una resistenza del foglio di ~200 ohm/sq., una mobilità di ~600 cm ² /Vs e una densità di portatori di carica di ~4.0 x 10 ¹³ cm ^-2 . L'obiettivo attuale degli scienziati è ridurre la resistenza del foglio e aumentare ulteriormente la mobilità e la qualità del materiale. Ciò migliorerà le prestazioni dei futuri transistor e Fraunhofer IAF farà un passo significativo verso il suo obiettivo di fornire HEMT AlScN per applicazioni di elettronica di potenza industriale.