Nuovo materiale semiconduttore: AlYN promette elettronica più efficiente dal punto di vista energetico e con prestazioni superiori

I ricercatori del Fraunhofer IAF sono riusciti a crescere strutture eterostrutture AlYN/GaN in un reattore MOCVD su substrati SiC da 4 pollici. © Fraunhofer IAF / Researchers at Fraunhofer IAF have succeeded in growing AlYN/GaN heterostructures in a MOCVD reactor on 4-inch SiC substrates. © Fraunhofer IAF

Le diverse tonalità di colore dei wafer AlYN/GaN derivano da differenti concentrazioni di ittrio e condizioni di crescita. © Fraunhofer IAF / Le diverse sfumature di colore dei wafer AlYN/GaN risultano da diverse concentrazioni di ittrio e condizioni di crescita. © Fraunhofer IAF

Con il loro lavoro sull'epitassia e sulla caratterizzazione di strutture eterostrutture AlYN/GaN, il team di ricerca del Fraunhofer IAF ha raggiunto una svolta nel campo dei materiali semiconduttori. © Fraunhofer IAF / Con il loro lavoro sull'epitassia e sulla caratterizzazione di strutture eterostrutture AlYN/GaN, il team di ricerca del Fraunhofer IAF ha raggiunto una svolta nel campo dei materiali semiconduttori. © Fraunhofer IAF

Ricercatori dell'Istituto Fraunhofer IAF hanno raggiunto un progresso nel campo dei materiali semiconduttori: con l'aluminio yttrit nitrido (AlYN) sono riusciti a produrre e caratterizzare un nuovo e promettente materiale semiconduttore mediante il metodo MOCVD. Grazie alle sue eccellenti proprietà materiali e alla sua adattabilità al nitruro di gallio (GaN), l'AlYN possiede un enorme potenziale per l'impiego in elettronica ad alta frequenza e ad alte prestazioni, per le tecnologie dell'informazione e della comunicazione.

Grazie alle sue eccellenti proprietà materiali, l'aluminio yttrit nitrido (AlYN) ha suscitato l'interesse di diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo. Tuttavia, la crescita del materiale rappresentava finora una grande sfida. Finora è stato possibile depositare AlYN solo mediante il metodo di sputtering a magnetron.

Ora, i ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per la fisica dello stato solido applicato IAF sono riusciti a produrre il nuovo materiale utilizzando la tecnologia MOCVD (deposizione chimica da fase vapore organica-metallorganica), aprendo così la strada a nuove e molteplici applicazioni.

«La nostra ricerca segna una pietra miliare nello sviluppo di nuove strutture di semiconduttori. AlYN è un materiale che permette un aumento delle prestazioni riducendo contemporaneamente il consumo energetico, aprendo la strada a innovazioni nell'elettronica di cui la nostra società digitalmente connessa e le crescenti esigenze tecnologiche hanno urgente bisogno», afferma il dott. Stefano Leone, ricercatore dell'Istituto Fraunhofer IAF nel settore epitassia.

Grazie alle sue promettenti proprietà materiali, l'AlYN può diventare un materiale chiave per le future innovazioni tecnologiche.

Le ricerche più recenti hanno già dimostrato le proprietà dell'AlYN, come la ferroelettricità. I ricercatori dell'Istituto Fraunhofer IAF si sono concentrati nello sviluppo del nuovo semiconduttore composito soprattutto sulla sua adattabilità al nitruro di gallio (GaN): la struttura reticolare dell'AlYN può essere ottimale adattata al GaN e la struttura eterostrutturale AlYN/GaN promette vantaggi significativi per lo sviluppo di elettronica all'avanguardia.

Dallo strato alla struttura eterostrutturale

Nel 2023, il gruppo di ricerca dell'Istituto Fraunhofer IAF ha già ottenuto risultati rivoluzionari, riuscendo per la prima volta a depositare uno strato di AlYN spesso 600 nm. Lo strato con struttura wurtzite conteneva una concentrazione di ittrio superiore al 30%, un valore finora senza precedenti. Ora, i ricercatori hanno raggiunto un altro progresso: hanno prodotto strutture eterostrutturali AlYN/GaN con una concentrazione di ittrio regolabile con precisione, caratterizzate da eccellenti qualità strutturali e proprietà elettriche. Le nuove strutture eterostrutturali presentano una concentrazione di ittrio fino al 16%. Sotto la guida del dott. Lutz Kirste, il gruppo per l'analisi strutturale sta conducendo ulteriori analisi dettagliate per approfondire la comprensione delle proprietà strutturali e chimiche dell'AlYN.

I ricercatori dell'Istituto Fraunhofer hanno già misurato proprietà elettriche molto promettenti e interessanti per l'uso in componenti elettronici. «Abbiamo osservato valori impressionanti per la resistenza dello strato, la densità di elettroni e la mobilità degli elettroni. Questi risultati ci hanno mostrato il potenziale dell'AlYN per l'elettronica ad alta frequenza e ad alte prestazioni», riferisce Leone.

Strutture eterostrutturali AlYN/GaN per applicazioni ad alta frequenza

Grazie alla sua struttura cristallina wurtzite, l'AlYN può essere adattato molto bene alla struttura wurtzite del nitruro di gallio (GaN) con una composizione adeguata. Una struttura eterostrutturale AlYN/GaN promette lo sviluppo di componenti semiconduttori con prestazioni e affidabilità migliorate. Inoltre, l'AlYN possiede la capacità di indurre un gas di elettroni bidimensionale (2DEG) nelle strutture eterostrutturali. Le ultime ricerche dell'Istituto Fraunhofer IAF mostrano proprietà ottimali del 2DEG nelle strutture eterostrutturali AlYN/GaN con una concentrazione di ittrio di circa l'8%.

I risultati della caratterizzazione del materiale indicano anche che l'AlYN può essere utilizzato in transistor ad alta mobilità di elettroni (HEMT). I ricercatori hanno osservato un aumento significativo della mobilità degli elettroni a basse temperature (oltre 3000 cm²/Vs a 7 K). Il team ha già fatto progressi importanti nella dimostrazione della struttura eterostrutturale epitassiale necessaria per la produzione e sta continuando a studiare il nuovo semiconduttore in vista della realizzazione di HEMT.

Per l'uso industriale, i ricercatori sono ottimisti: nelle strutture eterostrutturali AlYN/GaN cresciute su substrati di SiC da 4 pollici, hanno dimostrato scalabilità e uniformità strutturale. La produzione di strati di AlYN in un reattore MOCVD commerciale permette di scalare su substrati più grandi e in reattori MOCVD di maggiori dimensioni. Questo metodo è considerato il più produttivo per la produzione di strutture semiconduttrici di grandi dimensioni e sottolinea il potenziale dell'AlYN per la produzione di massa di componenti semiconduttori.

Sviluppo di memorie non volatili

Grazie alle sue proprietà ferroelettriche, l'AlYN è molto adatto allo sviluppo di memorie non volatili. Un altro importante vantaggio è che il materiale non presenta limiti di spessore dello strato. Per questo motivo, il team di ricerca dell'Istituto Fraunhofer IAF suggerisce di approfondire le proprietà degli strati di AlYN per memorie non volatili, poiché le memorie basate su AlYN possono promuovere soluzioni di archiviazione dei dati sostenibili ed energeticamente efficienti. Ciò è particolarmente rilevante per i data center, che devono affrontare l'aumento esponenziale della capacità di calcolo richiesta dall'intelligenza artificiale e che consumano molta più energia.

Ossidazione come sfida

Una delle principali sfide per l'uso industriale dell'AlYN è la sua suscettibilità all'ossidazione, che può influire sull'idoneità del materiale per alcune applicazioni elettroniche. «In futuro, sarà importante sviluppare strategie per ridurre o superare l'ossidazione. Queste potrebbero includere lo sviluppo di precursori di alta purezza, l'applicazione di rivestimenti protettivi o tecniche di produzione innovative. La suscettibilità all'ossidazione dell'AlYN rappresenta una grande sfida per la ricerca, volta a concentrare gli sforzi sui settori con le maggiori prospettive di successo», conclude Leone.