Les transferts de données mobiles 5G nécessitent l'utilisation de plages de fréquences plus nombreuses et plus élevées, qui doivent tous être hébergés dans un seul appareil mobile. Ainsi, les exigences vis-à-vis des composants radiofréquence (RF) sont en constante augmentation. L'Institut Fraunhofer de physique appliquée des solides IAF a développé un nouveau compact, et des filtres RF haute fréquence/large bande économes en énergie pour répondre à ces besoins. Au cours du projet PiTrans, les chercheurs ont réussi à cultiver du nitrure d'aluminium et de scandium (AlScN) avec les spécifications industrielles requises et à réaliser de nouveaux dispositifs électroacoustiques pour smartphones.

Le nombre de composants RF intégrés dans un seul smartphone a considérablement augmenté ces dernières années, et il n'y a pas de fin en vue. Prédire cette tendance en 2015, le projet « PiTrans—Développement de couches AlScN pour les filtres RF piézoélectriques de nouvelle génération » visait à développer et à produire des transducteurs piézoélectriques RF améliorés avec des nitrures ternaires à base d'AlN comme couche piézo-active. Dans les cinq ans du projet, les chercheurs ont réussi à faire croître des couches d'AlScN hautement cristallines et à réaliser des résonateurs à ondes acoustiques de surface (SAW) qui répondent aux exigences croissantes de l'industrie. Pour la croissance de la matière, ce qui est également prometteur pour d'autres applications d'électronique de puissance, une infrastructure moderne de pulvérisation cathodique par magnétron a été établie à Fraunhofer IAF.

Potentiel et défis de l'AlScN

À ce jour, L'AlScN reste le nouveau matériau le plus prometteur pour remplacer le nitrure d'aluminium conventionnel (AlN) dans les applications de filtres RF à l'intérieur des téléphones mobiles. En introduisant du scandium (Sc) dans l'AlN, le couplage électromécanique et le coefficient piézoélectrique du matériau sont augmentés, permettant une conversion d'énergie mécanique-électrique plus efficace. Cela permet la production de dispositifs RF beaucoup plus efficaces. Cependant, l'instabilité de la phase cristalline piézoélectrique d'AlScN a été jusqu'à présent un problème pour l'utilisation industrielle du matériau, car la ségrégation de l'AlN de type wurtzite et du ScN cubique se produit généralement pendant la croissance. "En 2015, nous connaissions le potentiel d'AlscN, mais nous devions trouver les bonnes conditions pour le cultiver dans un processus stable et évolutif, " dit le Dr Žukauskaitė, qui a mené son équipe au succès.

Croissance et développement d'appareils réussis

Au cours du projet, les scientifiques de Fraunhofer IAF ont réussi à faire croître des couches d'AlScN hautement cristallines avec une large gamme de compositions jusqu'à une teneur en Sc de 41 pour cent. Une bonne homogénéité des couches a été obtenue sur toute la tranche de silicium (Si) jusqu'à 200 mm de diamètre, qui répond aux exigences de la production industrielle. Outre ces résultats pertinents pour l'industrie, l'équipe du projet a également réussi à réaliser une croissance épitaxiale sur du saphir à mailles assorties (Al 2 O 3 ) des substrats par une méthode spéciale de dépôt par épitaxie par pulvérisation magnétron (MSE), ce qui sera utile pour de futures recherches sur les matériaux.

En plus du développement de matériaux réussi, les chercheurs ont produit trois générations de structures de test pour démontrer les performances des films minces AlScN. La mise en œuvre de MSE pour produire AlScN/Al 2 O 3 à base de résonateurs conduisent à une augmentation du couplage électromécanique allant jusqu'à 10 % à une fréquence de 2 GHz. En collaboration avec les sociétés Evatec et Qualcomm, un film mince non polaire AlScN a également été développé pour améliorer encore le couplage électromécanique des résonateurs SAW. Cette technologie fait l'objet de recherches approfondies, et les premiers résultats viennent d'être publiés dans un article scientifique.

AlScN pour d'autres applications

"Nous voyons AlScN comme un candidat très prometteur pour permettre de futures applications qui capitalisent sur l'effet piézoélectrique, telles que les technologies de capteurs et les transistors à haute mobilité électronique, " explique le Dr Žukauskaitė. Le succès du projet PiTrans a conduit à l'acquisition de deux autres projets impliquant la technologie AlScN à Fraunhofer IAF. Dans le projet magnes, des capteurs de courant à large bande tels que ceux utilisés dans les voitures électriques sont à l'étude ; dans le projet SALSA, l'équipe de recherche développe de nouveaux types de commutateurs, transistors à haute mobilité électronique (HEMT). Les deux projets bénéficient de l'expertise de l'équipe dans la croissance d'AlScN et le développement de dispositifs basés sur AlScN, ainsi que l'infrastructure nécessaire établie à Fraunhofer IAF.