Primera producción mundial de nitruro de aluminio y escandio mediante MOCVD

28 de octubre de 2019

por Jennifer Funk, Fraunhofer-Gesellschaft

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 lograron fabricar nitruro de aluminio y escandio (AlScN) mediante deposición química de vapor 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, las comunicaciones por satélite, los sistemas de radar o la conducción autónoma, sobre todo porque los dispositivos actuales basados ​​en silicio (Si) están alcanzando su límite físico en estas aplicaciones. Una de las razones de esto es el tamaño de los dispositivos de Si, que según el estado actual de la investigación ya no se puede reducir. Si las cantidades cada vez mayores de datos tuvieran que procesarse con la tecnología actual de Si, las salas de servidores ocuparían una superficie tan grande que sería insostenible desde el punto de vista económico y ecológico. Los llamados 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 reside en los materiales en los que se basan. AlScN tiene propiedades excepcionales, lo que permite concentraciones de portador más altas que otros materiales. En el futuro se fabricarán HEMT mucho más potentes y eficientes basados ​​en AlScN.

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

La producción de AlScN implica desafíos fundamentales. El proceso de producción más moderno hace crecer las 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 producción de AlScN mediante MOCVD promete no sólo la calidad necesaria, sino también una productividad suficiente para aplicaciones industriales. "Sabíamos que los intentos anteriores de otros científicos de producir nitruro de galio y escandio mediante MOCVD habían fracasado. También sabemos que muchos científicos de todo el mundo están trabajando para desarrollar transistores AlScN, pero nadie antes que nosotros había logrado hacerlo utilizando MOCVD. aunque es un enfoque muy prometedor para la industria", explica el Dr. Stefano Leone, líder del grupo 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, la temperatura y la presión. Además, el rápido cambio de gas permite hacer crecer diferentes capas de material una encima de otra.

Fraunhofer IAF logra una novedad

El desafío para los investigadores del Fraunhofer IAF: no existe ninguna 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 del escandio y planeamos adaptar nuestro reactor MOCVD al procedimiento necesario. Investigamos mucho y mantuvimos numerosas discusiones hasta que desarrollamos una configuración que ahora incluso estamos patentando. Ahora hemos logrado desarrollar AlScN capas mediante MOCVD con una calidad de cristal muy alta y la cantidad adecuada de escandio para desarrollar la próxima generación de transistores de potencia", afirma Leone, satisfecho con el logro. El grupo de investigación ha modificado el sistema MOCVD del Fraunhofer IAF para permitir un proceso de producción de AlScN reproducible y de alta calidad.

Tras la exitosa deposición 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 ohm/sq., una movilidad de ~600 cm2/Vs y una densidad de portadores de carga de ~4,0 x 1013 cm-2. El objetivo actual de los científicos es reducir la resistencia de la lámina y aumentar aún más la movilidad y la calidad del material. Esto mejorará el rendimiento de los futuros transistores y Fraunhofer IAF dará un paso significativo hacia su objetivo de proporcionar HEMT de AlScN para aplicaciones de electrónica de potencia industrial.

Proporcionado por Fraunhofer-Gesellschaft