Nouveau matériau semi-conducteur : AlYN promet une électronique plus économe en énergie et plus performante

Les chercheurs du Fraunhofer IAF ont réussi à faire croître des hétérostuctures AlYN/GaN dans un réacteur MOCVD sur des substrats SiC de 4 pouces. © Fraunhofer IAF / Des chercheurs du Fraunhofer IAF ont réussi à faire croître des hétérostuctures AlYN/GaN dans un réacteur MOCVD sur des substrats SiC de 4 pouces. © Fraunhofer IAF

Les différentes nuances de couleur des wafers AlYN/GaN résultent de différentes concentrations en yttrium ainsi que des conditions de croissance. © Fraunhofer IAF / Les différentes nuances de couleur des wafers AlYN/GaN résultent de différentes concentrations en yttrium ainsi que des conditions de croissance. © Fraunhofer IAF

Grâce à leurs travaux sur l'épitaxie et la caractérisation des hétérostuctures AlYN/GaN, l'équipe de recherche du Fraunhofer IAF a réalisé une avancée majeure dans le domaine des matériaux semi-conducteurs. © Fraunhofer IAF / Avec leur travail sur l'épitaxie et la caractérisation des hétérostuctures AlYN/GaN, l'équipe de recherche du Fraunhofer IAF a réussi une percée dans le domaine des matériaux semi-conducteurs. © Fraunhofer IAF

Des chercheurs du Fraunhofer IAF ont réalisé une avancée dans le domaine des matériaux semi-conducteurs : avec l’aluminiumyttriure nitrure (AlYN), ils ont réussi à produire et à caractériser un nouveau matériau semi-conducteur prometteur en utilisant la technique MOCVD. En raison de ses excellentes propriétés matérielles et de sa capacité d’adaptation au nitrure de gallium (GaN), l’AlYN possède un potentiel énorme pour une utilisation dans l’électronique haute fréquence et haute performance, notamment pour les technologies de l’information et de la communication.

En raison de ses propriétés matérielles exceptionnelles, l’aluminiumyttriure nitrure (AlYN) a suscité l’intérêt de plusieurs groupes de recherche à travers le monde. La croissance de ce matériau a toutefois constitué un défi majeur jusqu’à présent. Jusqu’à présent, il n’a été possible de déposer l’AlYN qu’au moyen de la technique de sputtering par magnétron.

Les chercheurs de l’Institut Fraunhofer pour la physique des solides appliquée IAF ont maintenant réussi à produire ce nouveau matériau à l’aide de la technologie MOCVD (déposition en phase vapeur par organométalliques) et ainsi à ouvrir la voie à de nouvelles applications variées.

»Notre recherche marque une étape importante dans le développement de nouvelles structures de semi-conducteurs. L’AlYN est un matériau qui permet d’augmenter la performance tout en minimisant la consommation d’énergie, ce qui peut ouvrir la voie à des innovations dans l’électronique dont notre société connectée numériquement et les exigences croissantes en matière de technologies ont un besoin urgent», explique le Dr Stefano Leone, scientifique au Fraunhofer IAF dans le domaine de l’épitaxie.

Grâce à ses propriétés matérielles prometteuses, l’AlYN pourrait devenir un matériau clé pour les innovations technologiques futures.

Des recherches récentes ont déjà démontré que l’AlYN possède des propriétés matérielles telles que la ferroélectricité. Les chercheurs du Fraunhofer IAF se sont concentrés lors du développement du nouveau semi-conducteur sur sa capacité d’adaptation au nitrure de gallium (GaN) : la structure cristalline de l’AlYN peut être parfaitement adaptée au GaN, et la structure hétérostructure AlYN/GaN promet des avantages importants pour le développement d’électronique innovante.

De la couche à la hétérostructure

En 2023, le groupe de recherche du Fraunhofer IAF a déjà obtenu des résultats révolutionnaires en déposant pour la première fois une couche d’AlYN d’une épaisseur de 600 nm. La couche, de structure wurtzite, contenait une concentration d’yttrium jusqu’alors inégalée de plus de 30 %. Les chercheurs ont maintenant réalisé une nouvelle avancée : ils ont fabriqué des structures hétérostructure AlYN/GaN avec une concentration précise d’yttrium, caractérisées par une excellente qualité structurale et des propriétés électriques remarquables. Ces nouvelles hétérostructures contiennent jusqu’à 16 % d’yttrium. Sous la direction du Dr Lutz Kirste, le groupe d’analyse structurale poursuit des analyses détaillées pour approfondir la compréhension des propriétés structurales et chimiques de l’AlYN.

Les chercheurs du Fraunhofer ont déjà mesuré des propriétés électriques très prometteuses et intéressantes pour une utilisation dans des composants électroniques. »Nous avons observé des valeurs impressionnantes pour la résistivité de la couche, la densité d’électrons et la mobilité des électrons. Ces résultats nous ont montré le potentiel de l’AlYN pour l’électronique haute fréquence et haute performance», rapporte Leone.

Hétérostructures AlYN/GaN pour les applications en haute fréquence

Grâce à sa structure cristalline wurtzite, l’AlYN peut être très bien adapté à la structure wurtzite du nitrure de gallium (GaN) lorsqu’il possède la composition appropriée. Une hétérostructure AlYN/GaN promet le développement de composants semi-conducteurs avec de meilleures performances et une fiabilité accrue. De plus, l’AlYN a la capacité d’induire un gaz d’électrons bidimensionnel (2DEG) dans les hétérostructures. Les dernières recherches du Fraunhofer IAF montrent des propriétés optimales du 2DEG dans les hétérostructures AlYN/GaN avec une concentration d’yttrium d’environ 8 %.

Les résultats de la caractérisation du matériau indiquent également que l’AlYN peut être utilisé dans des transistors à haute mobilité électronique (HEMT). Les chercheurs ont pu observer une augmentation significative de la mobilité des électrons à basse température (plus de 3000 cm²/Vs à 7 K). L’équipe a déjà réalisé des progrès importants dans la démonstration de la structure hétérostructure épitaxique nécessaire à la fabrication et poursuit ses recherches sur ce nouveau semi-conducteur en vue de la fabrication de HEMT.

Les chercheurs estiment également que cette technologie pourrait être utilisée à l’échelle industrielle : pour les hétérostructures AlYN/GaN déposées sur des substrats en carbure de silicium (SiC) de 4 pouces, ils ont pu démontrer une capacité de mise à l’échelle et une uniformité structurale. La fabrication réussie de couches d’AlYN dans un réacteur MOCVD commercial permettrait de passer à des substrats plus grands dans des réacteurs MOCVD plus grands. Cette méthode est considérée comme la plus productive pour la fabrication de structures semi-conductrices de grande surface et souligne le potentiel de l’AlYN pour la production en série de composants semi-conducteurs.

Développement de mémoires non volatiles

En raison de ses propriétés ferroélectriques, l’AlYN est très adapté au développement de mémoires non volatiles. Un autre avantage important est que ce matériau ne présente pas de limite à l’épaisseur de la couche. Par conséquent, l’équipe de recherche du Fraunhofer IAF recommande de poursuivre l’étude des propriétés des couches d’AlYN pour les mémoires non volatiles, car les mémoires basées sur l’AlYN pourraient favoriser des solutions de stockage de données durables et écoénergétiques. Cela est particulièrement pertinent pour les centres de calcul, qui doivent faire face à l’augmentation exponentielle de la capacité de calcul pour l’intelligence artificielle, tout en consommant beaucoup d’énergie.

L’oxydation comme défi

Un obstacle majeur à l’utilisation industrielle de l’AlYN est sa susceptibilité à l’oxydation, ce qui peut compromettre son aptitude à certaines applications électroniques. »À l’avenir, il sera essentiel de rechercher des stratégies pour réduire ou surmonter l’oxydation. Cela pourrait inclure le développement de précurseurs très purs, l’application de couches de protection ou des techniques de fabrication innovantes. La susceptibilité à l’oxydation de l’AlYN représente un grand défi pour la recherche afin de garantir que les efforts soient concentrés sur les domaines offrant le plus de potentiel de succès», conclut Leone.