Nuevo material semiconductor: AlYN promete una electrónica más eficiente en energía y de mayor rendimiento

Investigadores del Fraunhofer IAF han logrado cultivar heteroestructuras de AlYN/GaN en un reactor MOCVD sobre sustratos de SiC de 4 pulgadas. © Fraunhofer IAF / Researchers at Fraunhofer IAF have succeeded in growing AlYN/GaN heterostructures in a MOCVD reactor on 4-inch SiC substrates. © Fraunhofer IAF

Las diferentes tonalidades de color de los obleas de AlYN/GaN resultan de diferentes concentraciones de itrio y condiciones de crecimiento. © Fraunhofer IAF / Las diferentes tonalidades de color de las obleas de AlYN/GaN resultan de diferentes concentraciones de itrio y condiciones de crecimiento. © Fraunhofer IAF

Con su trabajo sobre la epitaxia y caracterización de heteroestructuras de AlYN/GaN, el equipo de investigación del Fraunhofer IAF logró un avance en el campo de los materiales semiconductores. © Fraunhofer IAF

Investigadores del Fraunhofer IAF han logrado un avance en el campo de los materiales semiconductores: con el nitruro de itrio y aluminio (AlYN), han conseguido fabricar y caracterizar un nuevo y prometedor material semiconductor mediante el proceso MOCVD. Debido a sus excelentes propiedades materiales y su capacidad de adaptación al nitruro de galio (GaN), el AlYN tiene un enorme potencial para su uso en electrónica de alta frecuencia y alta potencia energéticamente eficiente para tecnologías de la información y la comunicación.

Debido a sus excelentes propiedades materiales, el nitruro de itrio y aluminio (AlYN) ha despertado interés en diversos grupos de investigación en todo el mundo. Sin embargo, hasta ahora, el crecimiento del material ha representado un gran desafío. Hasta la fecha, solo se ha logrado depositar AlYN mediante el proceso de sputtering por magnetrón.

Ahora, investigadores del Instituto Fraunhofer para la Física del Estado Sólido Aplicada IAF han logrado fabricar el nuevo material utilizando la tecnología MOCVD (Deposición de gases en fase química organometálica), permitiendo así la exploración de nuevas aplicaciones diversas.

»Nuestra investigación marca un hito en el desarrollo de nuevas estructuras semiconductoras. El AlYN es un material que permite aumentar el rendimiento minimizando al mismo tiempo el consumo de energía, allanando así el camino para innovaciones en la electrónica que nuestra sociedad digitalmente conectada y las crecientes demandas tecnológicas necesitan urgentemente«, dice el Dr. Stefano Leone, científico del Fraunhofer IAF en el área de epitaxia.

Debido a sus prometedoras propiedades materiales, el AlYN puede convertirse en un material clave para futuras innovaciones tecnológicas.

Investigaciones recientes ya habían demostrado las propiedades del AlYN, como la ferroelectricidad. Los investigadores del Fraunhofer IAF se centraron en el desarrollo del nuevo semiconductor en su capacidad de adaptación al nitruro de galio (GaN): la estructura de red del AlYN se puede ajustar de manera óptima al GaN, y la heteroestructura AlYN/GaN promete ventajas sustanciales para el desarrollo de electrónica de vanguardia.

De la capa a la heteroestructura

En 2023, el grupo de investigación del Fraunhofer IAF ya logró resultados innovadores al depositar por primera vez una capa de AlYN de 600 nm de espesor. La capa, con estructura wurtzita, contenía una concentración de itrio superior al 30%, una cifra sin precedentes hasta ahora. Ahora, los investigadores han logrado otro avance: han fabricado heteroestructuras AlYN/GaN con una concentración de itrio ajustable con precisión, que se caracterizan por su excelente calidad estructural y propiedades eléctricas. Las nuevas heteroestructuras contienen hasta un 16% de concentración de itrio. Bajo la dirección del Dr. Lutz Kirste, el grupo de análisis estructural realiza análisis más detallados para profundizar la comprensión de las propiedades estructurales y químicas del AlYN.

Los investigadores del Fraunhofer ya han medido propiedades eléctricas muy prometedoras del AlYN, interesantes para su uso en componentes electrónicos. »Pudimos observar valores impresionantes en resistencia de capa, densidad de electrones y movilidad de electrones. Estos resultados nos han mostrado el potencial del AlYN para la electrónica de alta frecuencia y alta potencia«, informa Leone.

Heteroestructuras AlYN/GaN para aplicaciones de alta frecuencia

Gracias a su estructura cristalina wurtzita, el AlYN puede ajustarse muy bien a la estructura de GaN con una composición adecuada. Una heteroestructura AlYN/GaN promete el desarrollo de dispositivos semiconductores con mejor rendimiento y fiabilidad. Además, el AlYN tiene la capacidad de inducir un gas de electrones bidimensional (2DEG) en heteroestructuras. Los últimos resultados de investigación del Fraunhofer IAF muestran propiedades óptimas de 2DEG en heteroestructuras AlYN/GaN con una concentración de itrio de aproximadamente el 8%.

Los resultados de la caracterización del material también muestran que el AlYN puede usarse en transistores con alta movilidad de electrones (HEMTs). Los investigadores observaron un aumento significativo en la movilidad de electrones a bajas temperaturas (más de 3000 cm²/Vs a 7 K). El equipo ya ha logrado avances importantes en la demostración de la heteroestructura epitaxial necesaria para su fabricación y continúa investigando el nuevo semiconductor en relación con la producción de HEMTs.

También para su uso industrial, los investigadores pueden hacer una previsión positiva: en las heteroestructuras AlYN/GaN cultivadas en sustratos de SiC de 4 pulgadas, demostraron escalabilidad y uniformidad estructural. La fabricación exitosa de capas de AlYN en un reactor MOCVD comercial permite escalar a sustratos mayores en reactores MOCVD más grandes. Este método se considera el más productivo para la fabricación de estructuras semiconductoras de gran superficie y destaca el potencial del AlYN para la producción en serie de componentes semiconductores.

Desarrollo de memorias no volátiles

Debido a sus propiedades ferroelectricas, el AlYN es muy adecuado para el desarrollo de memorias no volátiles. Otra ventaja importante es que el material no tiene limitación en el grosor de la capa. Por ello, el equipo de investigación del Fraunhofer IAF propone 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 centros de datos, que deben gestionar el aumento exponencial de la capacidad de cálculo para inteligencia artificial y que consumen mucha más energía.

La oxidación como desafío

Un obstáculo importante para la utilización industrial del AlYN es su susceptibilidad a la oxidación, lo que puede afectar su idoneidad para ciertas aplicaciones electrónicas. »En el futuro, será fundamental investigar estrategias para reducir o superar la oxidación. Esto podría lograrse mediante el desarrollo de precursores de alta pureza, la aplicación de recubrimientos protectores o técnicas de fabricación innovadoras. La susceptibilidad a la oxidación del AlYN representa un gran desafío para la investigación, para asegurar que los esfuerzos se concentren en las áreas con mayores posibilidades de éxito«, concluye Leone.