Cientistas do Instituto Fraunhofer de Física Aplicada do Estado Sólido IAF alcançaram o que antes era considerado impossível:eles são os primeiros no mundo que conseguiram fabricar nitreto de escândio de alumínio (AlScN) por meio de deposição de vapor químico orgânico de metal (MOCVD). Dispositivos baseados em AlScN são considerados a próxima geração de eletrônicos de potência. Com esta descoberta, A Fraunhofer IAF dá um passo decisivo em direção ao seu objetivo de desenvolver eletrônica de potência baseada em transistores AlScN para aplicações industriais.

Transistores baseados em AlScN são promissores para várias aplicações industriais, como transferência de dados, comunicação por satélite, sistemas de radar ou direção autônoma, especialmente porque os dispositivos atuais baseados em silício (Si) estão atingindo seu limite físico nessas aplicações. Uma razão para isso é o tamanho dos dispositivos de Si, que não pode mais ser reduzido de acordo com o estado atual da pesquisa. Se as quantidades cada vez maiores de dados precisassem ser processadas com a tecnologia Si atual, as salas de servidores ocupariam uma área tão grande que seria econômica e ecologicamente insustentável. Os chamados HEMTs (transistores de alta mobilidade de elétrons) ultrapassam em muito as possibilidades dos dispositivos de Si. A chave para o sucesso das estruturas HEMT está nos materiais em que são baseadas. AlScN tem propriedades excepcionais, permitindo maiores concentrações de transportadores do que outros materiais. No futuro, HEMTs significativamente mais poderosos e eficientes serão realizados com base no AlScN.

Os processos de fabricação anteriores falharam devido à qualidade e produtividade

A produção de AlScN envolve desafios fundamentais. O processo de produção de última geração aumenta as camadas de AlScN por meio de pulverização catódica. Infelizmente, a qualidade dessas camadas é insuficiente para aplicações eletrônicas, como LEDs e transistores de alta potência. Um método alternativo é produzir AlScN via epitaxia de feixe molecular (MBE). Com este processo, podem ser incorporadas no composto grandes quantidades de escândio. A qualidade também é suficiente para a produção de dispositivos microeletrônicos. Contudo, o procedimento é muito complexo e a produtividade muito baixa para produções em escala industrial.

Deposição de vapor químico orgânico de metal promete produção de nível industrial

A produção de AlScN via MOCVD promete não só a qualidade necessária, mas também produtividade suficiente para aplicações industriais. "Sabíamos que as tentativas anteriores de outros cientistas de produzir nitreto de gálio escândio via MOCVD haviam falhado. Também sabemos que muitos cientistas em todo o mundo estão trabalhando para desenvolver transistores AlScN, mas ninguém antes de nós conseguiu fazer isso usando MOCVD, embora seja uma abordagem muito promissora para a indústria, "explica o Dr. Stefano Leone, líder do grupo na Fraunhofer IAF. Durante o procedimento MOCVD, os gases são guiados por um wafer aquecido. Por meio da exposição ao calor, moléculas distintas são liberadas do gás e integradas à estrutura cristalina do wafer. A estrutura do cristal pode ser ajustada com precisão, regulando o fluxo de gás, temperatura e pressão. Além disso, a rápida troca de gás permite que diferentes camadas de materiais cresçam umas sobre as outras.

Fraunhofer IAF alcança novidade

O desafio para os pesquisadores da Fraunhofer IAF:não há fonte de gás para o escândio. As moléculas (precursores) do escândio são muito grandes e difíceis de trazer para a fase gasosa. "Estudamos o melhor precursor possível para escândio e planejamos ajustes de nosso reator MOCVD para o procedimento necessário. Fizemos muitas pesquisas e tivemos várias discussões até desenvolvermos uma configuração que agora estamos até mesmo patenteando. Agora temos sucesso no crescimento de AlScN camadas via MOCVD com uma qualidade de cristal muito alta e a quantidade certa de escândio para desenvolver a próxima geração de transistores de potência, "diz Leone, satisfeito com a conquista. O sistema MOCVD no Fraunhofer IAF foi modificado pelo grupo de pesquisa para permitir um processo de produção de AlScN de alta qualidade e reproduzível.

Primeiras camadas AlScN para transistores do MOCVD

Após a deposição bem-sucedida de AlScN no sistema MOCVD, as primeiras camadas AlScN para transistores foram produzidas. As camadas já alcançam resultados promissores com uma resistência de folha de ~ 200 ohm / m², uma mobilidade de ~ 600 cm ² / Vs e uma densidade de portadora de carga de ~ 4,0 x 10 ¹³ cm ^-2 . O objetivo atual dos cientistas é reduzir a resistência da folha e aumentar ainda mais a mobilidade e a qualidade do material. Isso melhorará o desempenho de futuros transistores e o Fraunhofer IAF dará um passo significativo em direção ao seu objetivo de fornecer HEMTs AlScN para aplicações eletrônicas de potência industrial.