Les scientifiques du Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF ont réalisé ce qui était auparavant considéré comme impossible :ils sont les premiers au monde à avoir réussi à fabriquer du nitrure d'aluminium et de scandium (AlScN) par dépôt chimique en phase vapeur métal-organique (MOCVD). Les appareils basés sur AlScN sont considérés comme la prochaine génération d'électronique de puissance. Avec cette percée, Fraunhofer IAF franchit une étape décisive vers son objectif de développer une électronique de puissance basée sur des transistors AlScN pour des applications industrielles.

Les transistors à base d'AlScN sont prometteurs pour diverses applications industrielles, comme le transfert de données, communication par satellite, systèmes radar ou conduite autonome, d'autant plus que les dispositifs actuels à base de silicium (Si) atteignent leur limite physique dans ces applications. L'une des raisons à cela est la taille des appareils Si, qui ne peut plus être réduite selon l'état actuel de la recherche. Si les quantités toujours croissantes de données devaient être traitées avec la technologie Si actuelle, les salles de serveurs occuperaient une surface si grande qu'elle serait économiquement et écologiquement insoutenable. Les transistors HEMT (transistors à haute mobilité électronique) dépassent de loin les possibilités des dispositifs au silicium. La clé du succès des structures HEMT réside dans les matériaux sur lesquels elles sont basées. AlScN a des propriétés exceptionnelles, permettant des concentrations de porteurs plus élevées que les autres matériaux. À l'avenir, des HEMT beaucoup plus puissants et efficaces seront réalisés sur la base de l'AlScN.

Les processus de fabrication précédents ont échoué en raison de la qualité et de la productivité

La production d'AlScN implique des défis fondamentaux. Le processus de production de pointe fait croître les couches d'AlScN par pulvérisation cathodique. Malheureusement, la qualité de ces couches est insuffisante pour les applications électroniques telles que les LED et les transistors de forte puissance. Une autre méthode consiste à produire de l'AlScN par épitaxie par faisceau moléculaire (MBE). Avec ce procédé, des quantités élevées de scandium peuvent être incorporées dans le composé. La qualité est également suffisante pour la fabrication de dispositifs microélectroniques. Cependant, la procédure est très complexe et la productivité trop faible pour des productions à l'échelle industrielle.

Le dépôt chimique en phase vapeur métal-organique promet une production de qualité industrielle

La production d'AlScN via MOCVD promet non seulement la qualité nécessaire, mais aussi une productivité suffisante pour les applications industrielles. "Nous savions que les tentatives précédentes d'autres scientifiques pour produire du nitrure de gallium et de scandium via MOCVD avaient échoué. Nous savons également que de nombreux scientifiques du monde entier travaillent au développement de transistors AlScN, mais personne avant nous n'a réussi à le faire en utilisant MOCVD, même s'il s'agit d'une approche très prometteuse pour l'industrie, " explique le Dr Stefano Leone, chef de groupe chez Fraunhofer IAF. Au cours de la procédure MOCVD, les gaz sont guidés à travers une plaquette chauffée. Grâce à l'exposition à la chaleur, des molécules distinctes sont libérées du gaz et intégrées dans la structure cristalline de la plaquette. La structure cristalline peut être ajustée avec précision en régulant le débit de gaz, température et pression. Par ailleurs, le changement rapide de gaz permet de faire croître différentes couches de matériau les unes sur les autres.

Fraunhofer IAF réalise la nouveauté

Le défi pour les chercheurs de Fraunhofer IAF :il n'y a pas de source de gaz pour le scandium. Les molécules (précurseurs) du scandium sont très grosses et difficiles à mettre en phase gazeuse. "Nous avons étudié le meilleur précurseur possible pour le scandium et planifié les ajustements de notre réacteur MOCVD pour la procédure nécessaire. Nous avons fait beaucoup de recherches et avons eu de nombreuses discussions jusqu'à ce que nous développions une configuration que nous brevetons même maintenant. Nous avons maintenant réussi à faire croître AlScN des couches via MOCVD avec une très haute qualité de cristal et la bonne quantité de scandium afin de développer la prochaine génération de transistors de puissance, " dit Léone, content de la réalisation. Le système MOCVD de Fraunhofer IAF a été modifié par le groupe de recherche pour permettre un processus de production d'AlScN reproductible et de haute qualité.

Premières couches AlScN pour transistors du MOCVD

Après le dépôt réussi d'AlScN dans le système MOCVD, les premières couches d'AlScN pour transistors ont été produites. Les couches atteignent déjà des résultats prometteurs avec une résistance en feuille d'environ 200 ohms/sq., une mobilité de ~600 cm ² /Vs et une densité de porteurs de charge de ~4,0 x 10 ¹³ cm ^-2 . L'objectif actuel des scientifiques est de réduire la résistance de la feuille et d'augmenter encore la mobilité et la qualité des matériaux. Cela améliorera les performances des futurs transistors et Fraunhofer IAF fera un pas important vers son objectif de fournir des HEMT AlScN pour les applications industrielles d'électronique de puissance.