Novo material semicondutor AlYN promete eletrônicos mais potentes e com maior eficiência energética

Pesquisadores do Fraunhofer IAF fizeram um avanço no campo de materiais semicondutores: com nitreto de ítrio e alumínio (AlYN), eles conseguiram fabricar e caracterizar um novo e promissor material semicondutor usando o processo MOCVD.

Devido às suas excelentes propriedades materiais e sua adaptabilidade ao nitreto de gálio (GaN), o AlYN tem enorme potencial para uso em eletrônicos de alta frequência e alto desempenho com eficiência energética para tecnologia da informação e comunicação.

O nitreto de alumínio e ítrio (AlYN) atraiu o interesse de muitos grupos de pesquisa ao redor do mundo devido às suas excelentes propriedades materiais. No entanto, o crescimento do material tem sido um grande desafio. Até agora, o AlYN só podia ser depositado por pulverização catódica de magnetron.

Pesquisadores do Instituto Fraunhofer de Física Aplicada do Estado Sólido (IAF) conseguiram fabricar o novo material usando a tecnologia de deposição química de vapor metal-orgânico (MOCVD), permitindo assim o desenvolvimento de novas e diversas aplicações.

“Nossa pesquisa representa um marco no desenvolvimento de novas estruturas semicondutoras. AlYN é um material que permite maior desempenho ao mesmo tempo em que minimiza o consumo de energia, abrindo caminho para inovações em eletrônica que nossa sociedade digitalmente conectada e suas crescentes demandas tecnológicas precisam urgentemente”, diz Dr. Stefano Leone, cientista do Fraunhofer IAF no campo de epitaxia.

Com suas propriedades materiais promissoras, o AlYN pode se tornar um material essencial para futuras inovações tecnológicas.

Pesquisas recentes já demonstraram as propriedades materiais do AlYN, como a ferroeletricidade. No desenvolvimento do novo semicondutor composto, os pesquisadores do Fraunhofer IAF se concentraram principalmente em sua adaptabilidade ao nitreto de gálio (GaN): A estrutura reticular do AlYN pode ser adaptada de forma ideal ao GaN e a heteroestrutura AlYN/GaN promete vantagens significativas para o desenvolvimento de eletrônicos voltados para o futuro.

Da camada à heteroestrutura

Em 2023, o grupo de pesquisa Fraunhofer IAF obteve resultados inovadores quando conseguiu depositar uma camada de AlYN de 600 nm de espessura pela primeira vez. A camada com estrutura de wurtzita continha uma concentração de ítrio sem precedentes de mais de 30%.

Agora, os pesquisadores alcançaram outro avanço: eles fabricaram heteroestruturas AlYN/GaN com uma concentração de ítrio precisamente ajustável, que são caracterizadas por excelente qualidade estrutural e propriedades elétricas. As novas heteroestruturas têm uma concentração de ítrio de até 16%. A pesquisa é publicada no periódico Materiais APL.

O grupo de análise estrutural, liderado pelo Dr. Lutz Kirste, continua realizando análises detalhadas para aprofundar o entendimento das propriedades estruturais e químicas do AlYN.

Os pesquisadores do Fraunhofer já mediram propriedades elétricas muito promissoras do AlYN que são de interesse para uso em componentes eletrônicos. “Conseguimos observar valores impressionantes para resistência de folha, densidade de elétrons e mobilidade de elétrons. Esses resultados nos mostraram o potencial do AlYN para eletrônicos de alta frequência e alto desempenho”, relata Leone.

Heteroestruturas AlYN/GaN para aplicações de alta frequência

Devido à sua estrutura cristalina de wurtzita, o AlYN pode ser muito bem adaptado à estrutura de wurtzita do nitreto de gálio com uma composição adequada. Uma heteroestrutura AlYN/GaN promete permitir o desenvolvimento de componentes semicondutores com desempenho e confiabilidade aprimorados.

Além disso, AlYN tem a capacidade de induzir um gás de elétrons bidimensional (2DEG) em heteroestruturas. Resultados de pesquisas recentes do Fraunhofer IAF mostram propriedades 2DEG ótimas em heteroestruturas AlYN/GaN em uma concentração de ítrio de cerca de 8%.

Os resultados da caracterização do material também mostram que o AlYN pode ser usado em transistores de alta mobilidade de elétrons (HEMTs). Os pesquisadores observaram um aumento significativo na mobilidade de elétrons em baixas temperaturas (mais de 3000 cm²/Vs a 7 K). A equipe já fez um progresso significativo na demonstração da heteroestrutura epitaxial necessária para a fabricação e continua a explorar o novo semicondutor para o desenvolvimento de HEMTs.

Os pesquisadores também estão otimistas sobre aplicações industriais: usando heteroestruturas AlYN/GaN cultivadas em substratos SiC de 4 polegadas, eles demonstraram a escalabilidade e uniformidade estrutural das heteroestruturas. A criação bem-sucedida de camadas AlYN em um reator MOCVD comercial permite o escalonamento para substratos maiores em reatores MOCVD maiores.

Este método é considerado o mais produtivo para a fabricação de estruturas semicondutoras de grande área e destaca o potencial do AlYN para a produção em massa de dispositivos semicondutores.

Desenvolvimento de memórias não voláteis

Devido às suas propriedades ferroelétricas, o AlYN é altamente adequado para o desenvolvimento de aplicações de memória não volátil. Outra vantagem importante é que o material não tem limitação na espessura da camada. Portanto, a equipe de pesquisa do Fraunhofer IAF incentiva mais pesquisas sobre as propriedades das camadas de AlYN para memórias não voláteis, pois as memórias baseadas em AlYN podem impulsionar soluções de armazenamento de dados sustentáveis ​​e com eficiência energética.

Isso é particularmente relevante para data centers, que precisam lidar com o crescimento exponencial da capacidade de computação para inteligência artificial e têm um consumo de energia significativamente maior.

O desafio da oxidação

Um grande obstáculo ao uso industrial do AlYN é sua suscetibilidade à oxidação, o que afeta sua adequação para certas aplicações eletrônicas.

“No futuro, será importante explorar estratégias para reduzir ou superar a oxidação. O desenvolvimento de precursores de alta pureza, o uso de revestimentos protetores ou técnicas de fabricação inovadoras podem contribuir para isso.

“A suscetibilidade do AlYN à oxidação é um grande desafio de pesquisa para garantir que os esforços sejam concentrados em áreas com maiores chances de sucesso”, conclui Leone.