La prima produzione al mondo di nitruro di scandio di alluminio tramite MOCVD

28 ottobre 2019

di Jennifer Funk, Fraunhofer-Gesellschaft

Gli scienziati dell'Istituto Fraunhofer per la fisica applicata dello stato solido IAF hanno realizzato ciò che prima era considerato impossibile: sono i primi al mondo a essere riusciti a produrre nitruro di scandio di alluminio (AlScN) tramite deposizione chimica in fase vapore metallo-organica (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, la comunicazione satellitare, i sistemi radar o la guida autonoma, soprattutto perché gli attuali dispositivi basati su silicio (Si) stanno raggiungendo il loro limite fisico in queste applicazioni. Uno dei motivi è la dimensione dei dispositivi Si, che allo stato attuale della ricerca non può più essere ridotta. Se quantità sempre crescenti di dati dovessero essere elaborate con l’attuale tecnologia Si, le sale server occuperebbero una superficie così grande da essere economicamente ed ecologicamente insostenibile. I cosiddetti HEMT (transistor ad alta mobilità elettronica) superano di gran lunga le possibilità dei dispositivi Si. La chiave del successo delle strutture HEMT risiede nei materiali su cui sono basate. L'AlScN ha proprietà eccezionali, consentendo concentrazioni di portatori più elevate rispetto ad altri materiali. In futuro verranno 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 fa crescere 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 è possibile incorporare nel composto elevate quantità di scandio. La qualità è sufficiente anche per la produzione di dispositivi microelettronici. Tuttavia, la procedura è molto complessa e la produttività troppo bassa per produzioni su scala 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 e 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 dottor Stefano Leone, capogruppo del 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 del gas, la temperatura e la pressione. Inoltre, il rapido cambio del gas consente di far crescere diversi strati di materiale uno sopra l'altro.

Fraunhofer IAF realizza novità

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