Nouveau matériau semi-conducteur : AlYN promet des produits électroniques plus efficaces sur le plan énergétique et plus puissants
Des chercheurs du Fraunhofer IAF ont réalisé une percée dans le domaine des matériaux semi-conducteurs : Avec le nitrure d'yttrium d'aluminium (AlYN), ils ont réussi à fabriquer et à caractériser un nouveau matériau semi-conducteur prometteur en utilisant le procédé MOCVD. En raison de ses excellentes propriétés matérielles et de son adaptabilité au nitrure de gallium (GaN), le nitrure d'aluminium et d'yttrium présente un énorme potentiel d'utilisation dans l'électronique haute fréquence et haute performance à haut rendement énergétique pour les technologies de l'information et de la communication.
© Fraunhofer IAF
Les différentes nuances de couleur des plaquettes AlYN/GaN résultent des différentes concentrations d'yttrium et des conditions de croissance.
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Grâce à ses travaux sur l'épitaxie et la caractérisation des hétérostructures AlYN/GaN, l'équipe de recherche Fraunhofer IAF a réalisé une percée dans le domaine des matériaux semi-conducteurs.
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Le nitrure d'aluminium et d'yttrium (AlYN) a suscité l'intérêt de nombreux groupes de recherche dans le monde entier en raison de ses propriétés matérielles exceptionnelles. Cependant, la croissance de ce matériau a constitué un défi majeur. Jusqu'à présent, l'AlYN ne pouvait être déposé que par pulvérisation magnétron. Les chercheurs de l'Institut Fraunhofer de physique appliquée à l'état solide (IAF) ont maintenant réussi à fabriquer le nouveau matériau en utilisant la technologie de dépôt chimique en phase vapeur métallo-organique (MOCVD), permettant ainsi le développement d'applications nouvelles et diversifiées.
"Notre recherche représente une étape importante dans le développement de nouvelles structures semi-conductrices. AlYN est un matériau qui permet d'accroître les performances tout en minimisant la consommation d'énergie, ouvrant ainsi la voie à des innovations dans le domaine de l'électronique dont notre société numériquement connectée et ses exigences technologiques sans cesse croissantes ont un besoin urgent", déclare le Dr Stefano Leone, scientifique au Fraunhofer IAF dans le domaine de l'épitaxie. Grâce à ses propriétés prometteuses, AlYN pourrait devenir un matériau clé pour les futures innovations technologiques.
Des recherches récentes ont déjà démontré les propriétés matérielles de l'AlYN, telles que la ferroélectricité. En développant le nouveau semi-conducteur composé, les chercheurs du Fraunhofer IAF se sont principalement concentrés sur son adaptabilité au nitrure de gallium (GaN) : La structure du réseau d'AlYN peut être adaptée de manière optimale au GaN et l'hétérostructure AlYN/GaN promet des avantages significatifs pour le développement d'une électronique orientée vers l'avenir.
De la couche à l'hétérostructure
En 2023, le groupe de recherche Fraunhofer IAF a obtenu des résultats révolutionnaires en réussissant à déposer pour la première fois une couche d'AlYN de 600 nm d'épaisseur. La couche à structure wurtzite contenait une concentration d'yttrium sans précédent de plus de 30 %. Aujourd'hui, les chercheurs ont réalisé une autre percée : ils ont fabriqué des hétérostructures AlYN/GaN avec une concentration d'yttrium réglable avec précision, qui se caractérisent par une excellente qualité structurelle et d'excellentes propriétés électriques. Les nouvelles hétérostructures ont une concentration d'yttrium allant jusqu'à 16 %. Le groupe d'analyse structurelle, dirigé par le Dr Lutz Kirste, continue d'effectuer des analyses détaillées afin de mieux comprendre les propriétés structurelles et chimiques d'AlYN.
Les chercheurs du Fraunhofer ont déjà mesuré des propriétés électriques très prometteuses de l'AlYN qui sont intéressantes pour une utilisation dans les composants électroniques. "Nous avons pu observer des valeurs impressionnantes pour la résistance de la feuille, la densité des électrons et la mobilité des électrons. Ces résultats nous ont montré le potentiel de l'AlYN pour l'électronique à haute fréquence et à haute performance", rapporte Leone.
Hétérostructures AlYN/GaN pour les applications à haute fréquence
En raison de sa structure cristalline wurtzite, l'AlYN peut très bien s'adapter à la structure wurtzite du nitrure de gallium avec une composition appropriée. Une hétérostructure AlYN/GaN promet de permettre le développement de composants semi-conducteurs aux performances et à la fiabilité améliorées. En outre, AlYN a la capacité d'induire un gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) dans les hétérostructures. Des résultats de recherche récents du Fraunhofer IAF montrent des propriétés optimales de 2DEG dans les hétérostructures AlYN/GaN à une concentration d'yttrium d'environ 8 pour cent.
Les résultats de la caractérisation des matériaux montrent également que l'AlYN peut être utilisé dans les transistors à haute mobilité électronique (HEMT). Les chercheurs ont observé 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 significatifs en démontrant l'hétérostructure épitaxiale nécessaire à la fabrication et continue d'explorer le nouveau semi-conducteur pour le développement de HEMT.
Les chercheurs sont également optimistes quant aux applications industrielles : En utilisant des hétérostructures AlYN/GaN cultivées sur des substrats SiC de 4 pouces, ils ont démontré l'extensibilité et l'uniformité structurelle des hétérostructures. La création réussie de couches d'AlYN dans un réacteur MOCVD commercial permet 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 d'AlYN pour la production de masse de dispositifs semi-conducteurs.
Développement de mémoires non volatiles
En raison de ses propriétés ferroélectriques, AlYN convient parfaitement au développement d'applications de mémoires non volatiles. Un autre avantage important est que le matériau n'a pas de limite d'épaisseur de couche. L'équipe de recherche du Fraunhofer IAF encourage donc la poursuite des recherches sur les propriétés des couches d'AlYN pour les mémoires non volatiles, car les mémoires à base d'AlYN peuvent conduire à des solutions de stockage de données durables et économes en énergie. Cela est particulièrement important pour les centres de données, qui doivent faire face à la croissance exponentielle de la capacité de calcul pour l'intelligence artificielle et qui ont une consommation d'énergie nettement plus élevée.
Le défi de l'oxydation
L'un des principaux obstacles à l'utilisation industrielle de l'AlYN est sa susceptibilité à l'oxydation, qui affecte son aptitude à certaines applications électroniques. "À l'avenir, il sera important d'explorer des stratégies pour réduire ou surmonter l'oxydation. Le développement de précurseurs de haute pureté, l'utilisation de revêtements protecteurs ou des techniques de fabrication innovantes pourraient y contribuer. La susceptibilité d'AlYN à l'oxydation est un défi majeur pour la recherche, afin de s'assurer que les efforts de recherche se concentrent sur les domaines ayant les plus grandes chances de succès", conclut Leone.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Stefano Leone, Isabel Streicher, Mario Prescher, Patrik Straňák, Lutz Kirste; "Metal‐Organic Chemical Vapor Deposition of Aluminum Yttrium Nitride"; physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters, Volume 17, 2023-4-28
Isabel Streicher, Patrik Straňák, Lutz Kirste, Mario Prescher, Stefan Müller, Stefano Leone; "Two-dimensional electron gases in AlYN/GaN heterostructures grown by metal–organic chemical vapor deposition"; APL Materials, Volume 12, 2024-5-3
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