I trasferimenti di dati mobili 5G richiedono l'uso di gamme di frequenza sempre maggiori, tutto ciò deve essere ospitato all'interno di un singolo dispositivo mobile. Così, le richieste sui componenti a radiofrequenza (RF) sono in costante aumento. Il Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF ha sviluppato nuovi, compatto, e filtri RF ad alta frequenza/larghezza di banda ad alta efficienza energetica per soddisfare tali esigenze. Durante il progetto PiTrans, i ricercatori sono riusciti a coltivare nitruro di alluminio scandio (AlScN) con le specifiche industriali richieste e a realizzare nuovi dispositivi elettroacustici per smartphone.

Il numero di componenti RF integrati in un singolo smartphone è aumentato notevolmente negli ultimi anni, e non c'è fine in vista. Prevedere questa tendenza nel 2015, il progetto "PiTrans—Sviluppo di strati AlScN per i filtri RF piezoelettrici di nuova generazione" si proponeva di sviluppare e produrre trasduttori piezoelettrici RF migliorati con nitruri ternari a base di AlN come strato piezoattivo. Entro i cinque anni del progetto, i ricercatori sono riusciti a far crescere strati di AlScN altamente cristallini ea realizzare risonatori a onde acustiche superficiali (SAW) che soddisfano i crescenti requisiti del settore. Per la crescita del materiale, che è anche promettente per altre applicazioni elettroniche di potenza, una moderna infrastruttura di magnetron-sputtering è stata istituita presso Fraunhofer IAF.

Potenzialità e sfide di AlScN

Fino ad oggi, AlScN rimane il nuovo materiale più promettente per sostituire il convenzionale nitruro di alluminio (AlN) nelle applicazioni di filtro RF all'interno dei telefoni cellulari. Introducendo lo scandio (Sc) in AlN, l'accoppiamento elettromeccanico e il coefficiente piezoelettrico del materiale vengono aumentati, consentendo una conversione dell'energia da meccanica a elettrica più efficiente. Ciò consente la produzione di dispositivi RF molto più efficienti. Però, l'instabilità della fase cristallina piezoelettrica AlScN è stata finora un problema per l'uso industriale del materiale, poiché la segregazione di AlN di tipo wurtzite e ScN cubica di solito si verifica durante la crescita. "Nel 2015 conoscevamo il potenziale di AlscN, ma bisognava trovare le condizioni giuste per farla crescere in un processo stabile e scalabile, " dice il dottor Žukauskaitė, che ha portato la sua squadra al successo.

Crescita e sviluppo di dispositivi di successo

Nel corso del progetto, gli scienziati del Fraunhofer IAF sono riusciti a far crescere strati di AlScN altamente cristallini con un'ampia gamma di composizioni fino a un contenuto di Sc del 41%. Una buona omogeneità degli strati è stata ottenuta attraverso l'intero wafer di silicio (Si) fino a 200 mm di diametro, che soddisfa i requisiti della produzione industriale. Oltre a questi risultati rilevanti per il settore, il team del progetto è anche riuscito a realizzare una crescita epitassiale su zaffiro reticolato (Al ₂ oh ₃ ) substrati attraverso uno speciale metodo di deposizione magnetron sputter epitaxy (MSE), che sarà utile per future ricerche sui materiali.

Oltre al successo dello sviluppo dei materiali, i ricercatori hanno prodotto tre generazioni di strutture di prova per dimostrare le prestazioni dei film sottili di AlScN. L'implementazione di MSE per produrre AlScN/Al ₂ oh ₃ risonatori basati su risonatori portano a un aumento dell'accoppiamento elettromeccanico fino al 10% a una frequenza di 2 GHz. In collaborazione con le aziende Evatec e Qualcomm, è stato inoltre sviluppato un film sottile AlScN non polare che migliora ulteriormente l'accoppiamento elettromeccanico dei risonatori SAW. Questa tecnologia è oggetto di ulteriori ricerche, e i primi risultati sono stati recentemente pubblicati in un articolo scientifico.

AlScN per altre applicazioni

"Vediamo AlScN come un candidato molto promettente per consentire applicazioni future che sfruttino l'effetto piezoelettrico, come le tecnologie dei sensori e i transistor ad alta mobilità degli elettroni, " spiega il Dr. Žukauskaitė. Il successo del progetto PiTrans ha portato all'acquisizione di altri due progetti che coinvolgono la tecnologia AlScN presso Fraunhofer IAF. Nel progetto mAgnes, si stanno studiando sensori di corrente a banda larga come quelli utilizzati nelle auto elettriche; nel progetto SALSA, il team di ricerca sta sviluppando nuovi tipi di commutabili, transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT). Entrambi i progetti beneficiano dell'esperienza del team nella crescita di AlScN e nello sviluppo di dispositivi basati su AlScN, così come le necessarie infrastrutture stabilite presso Fraunhofer IAF.