Nuevo material semiconductor: AlYN promete una electrónica más potente y eficiente energéticamente
Investigadores del Fraunhofer IAF han logrado un gran avance en el campo de los materiales semiconductores: Con el nitruro de aluminio e itrio (AlYN), han logrado fabricar y caracterizar un nuevo y prometedor material semiconductor mediante el proceso MOCVD. Debido a sus excelentes propiedades como material y a su adaptabilidad al nitruro de galio (GaN), el AlYN tiene un enorme potencial para su uso en electrónica de alta frecuencia y alto rendimiento energéticamente eficiente para la tecnología de la información y las comunicaciones.
© Fraunhofer IAF
Los distintos matices de color de las obleas de AlYN/GaN se deben a las diferentes concentraciones de itrio y condiciones de crecimiento.
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Con su trabajo sobre la epitaxia y caracterización de heteroestructuras AlYN/GaN, el equipo de investigación del Fraunhofer IAF logró un gran avance en el campo de los materiales semiconductores.
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El nitruro de aluminio e itrio (AlYN) ha despertado el interés de muchos grupos de investigación de todo el mundo por sus extraordinarias propiedades como material. Sin embargo, el crecimiento del material ha supuesto un gran reto. Hasta ahora, el AlYN sólo podía depositarse mediante pulverización catódica por magnetrón. Los investigadores del Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido (IAF) han logrado fabricar el nuevo material mediante la tecnología de deposición química de vapor metal-orgánico (MOCVD), lo que permitirá el desarrollo de nuevas y diversas aplicaciones.
"Nuestra investigación representa un hito en el desarrollo de nuevas estructuras semiconductoras. AlYN es un material que permite aumentar el rendimiento al tiempo que minimiza el consumo de energía, allanando el camino para las innovaciones en electrónica que nuestra sociedad digitalmente conectada y sus cada vez mayores demandas tecnológicas necesitan urgentemente", afirma el Dr. Stefano Leone, científico del Fraunhofer IAF en el campo de la epitaxia. Con sus prometedoras propiedades materiales, el AlYN podría convertirse en un material clave para futuras innovaciones tecnológicas.
Investigaciones recientes ya habían demostrado las propiedades materiales del AlYN, como la ferroelectricidad. Al desarrollar el nuevo semiconductor compuesto, los investigadores del Fraunhofer IAF se centraron principalmente en su adaptabilidad al nitruro de galio (GaN): La estructura reticular del AlYN puede adaptarse óptimamente al GaN y la heteroestructura AlYN/GaN promete ventajas significativas para el desarrollo de la electrónica del futuro.
De la capa a la heteroestructura
En 2023, el grupo de investigación Fraunhofer IAF logró resultados revolucionarios al conseguir depositar por primera vez una capa de AlYN de 600 nm de espesor. La capa con estructura de wurtzita contenía una concentración de itrio sin precedentes de más del 30 por ciento. Ahora los investigadores han logrado otro gran avance: han fabricado heteroestructuras de AlYN/GaN con una concentración de itrio ajustable con precisión, que se caracterizan por una calidad estructural y unas propiedades eléctricas excelentes. Las nuevas heteroestructuras tienen una concentración de itrio de hasta el 16 por ciento. El grupo de análisis estructural, dirigido por el Dr. Lutz Kirste, sigue realizando análisis detallados para profundizar en el conocimiento de las propiedades estructurales y químicas del AlYN.
Los investigadores del Fraunhofer ya han medido propiedades eléctricas muy prometedoras del AlYN, de interés para su uso en componentes electrónicos. "Pudimos observar valores impresionantes de resistencia de lámina, densidad de electrones y movilidad de electrones. Estos resultados nos mostraron el potencial del AlYN para la electrónica de alta frecuencia y alto rendimiento", informa Leone.
Heteroestructuras de AlYN/GaN para aplicaciones de alta frecuencia
Debido a su estructura cristalina wurtzita, el AlYN puede adaptarse muy bien a la estructura wurtzita del nitruro de galio con una composición adecuada. Una heteroestructura AlYN/GaN promete permitir el desarrollo de componentes semiconductores con mejores prestaciones y fiabilidad. Además, el AlYN tiene la capacidad de inducir un gas de electrones bidimensional (2DEG) en heteroestructuras. Los resultados de investigaciones recientes del Fraunhofer IAF muestran unas propiedades 2DEG óptimas en heteroestructuras de AlYN/GaN a una concentración de itrio de aproximadamente el 8 por ciento.
Los resultados de la caracterización del material muestran también que el AlYN puede utilizarse en transistores de alta movilidad electrónica (HEMT). Los investigadores observaron un aumento significativo de la movilidad de los electrones a bajas temperaturas (más de 3000 cm2/Vs a 7 K). El equipo ya ha logrado avances significativos en la demostración de la heteroestructura epitaxial necesaria para la fabricación, y sigue explorando el nuevo semiconductor para el desarrollo de HEMT.
Los investigadores también son optimistas en cuanto a las aplicaciones industriales: Utilizando heteroestructuras de AlYN/GaN cultivadas en sustratos de SiC de 4 pulgadas, demostraron la escalabilidad y uniformidad estructural de las heteroestructuras. La creación con éxito de capas de AlYN en un reactor de MOCVD comercial permite escalar a sustratos más grandes en reactores de MOCVD más grandes. Este método se considera el más productivo para la fabricación de estructuras semiconductoras de gran superficie y subraya el potencial del AlYN para la producción en masa de dispositivos semiconductores.
Desarrollo de memorias no volátiles
Debido a sus propiedades ferroeléctricas, el AlYN es muy adecuado para el desarrollo de aplicaciones de memoria no volátil. Otra ventaja importante es que el material no tiene limitación de grosor de capa. Por ello, el equipo de investigación del Fraunhofer IAF anima a seguir investigando las propiedades de las capas de AlYN para memorias no volátiles, ya que las memorias basadas en AlYN pueden impulsar soluciones de almacenamiento de datos sostenibles y energéticamente eficientes. Esto es especialmente relevante para los centros de datos, que tienen que hacer frente al crecimiento exponencial de la capacidad de cálculo para la inteligencia artificial y presentan un consumo de energía significativamente mayor.
El reto de la oxidación
Un obstáculo importante para el uso industrial del AlYN es su susceptibilidad a la oxidación, que afecta a su idoneidad para determinadas aplicaciones electrónicas. "En el futuro, será importante explorar estrategias para reducir o superar la oxidación. A ello podrían contribuir el desarrollo de precursores de gran pureza, el uso de revestimientos protectores o técnicas de fabricación innovadoras. La susceptibilidad del AlYN a la oxidación es un importante reto de investigación para garantizar que los esfuerzos de investigación se centren en las áreas con mayores posibilidades de éxito", concluye Leone.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Stefano Leone, Isabel Streicher, Mario Prescher, Patrik Straňák, Lutz Kirste; "Metal‐Organic Chemical Vapor Deposition of Aluminum Yttrium Nitride"; physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters, Volume 17, 2023-4-28
Isabel Streicher, Patrik Straňák, Lutz Kirste, Mario Prescher, Stefan Müller, Stefano Leone; "Two-dimensional electron gases in AlYN/GaN heterostructures grown by metal–organic chemical vapor deposition"; APL Materials, Volume 12, 2024-5-3
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