La temperatura de crecimiento es un parámetro crítico que determina la densidad del portador de la lámina de heteroestructuras basadas en nitruro de aluminio de escandio (SCALN), cultivadas con la técnica de pulverización. Crédito: Dr. Atsushi Kobayashi / Universidad de Ciencias de Tokio, Japón
Los transistores de alta movilidad de electrones basados en nitruro de galio (GaN) (HEMTS) son un tipo de transistores de efectos de campo (FET) diseñados para operar a frecuencias muy altas con bajo ruido. Como tal, se han aplicado ampliamente en aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia, como comunicaciones inalámbricas de alta velocidad, dispositivos de conmutación de alimentación y amplificadores de potencia.
Los HEMT utilizan una heterounión, que es una unión entre dos materiales semiconductores diferentes, típicamente GaN y GaN de aluminio (Algan). Esta unión crea una región estrecha llamada Gas de electrones bidimensional (2deg), donde los electrones tienen una movilidad muy alta, lo que resulta en un excelente rendimiento de alta frecuencia.
El nitruro de aluminio de escandio (SCALN) ha atraído una atención significativa como un nuevo material de barrera que puede mejorar aún más el rendimiento de los hemts GaN. Exhibe una gran polarización, lo que aumenta las densidades de electrones en el 2deg. Además, su naturaleza ferroeléctrica lo hace adecuado para su uso como material de puerta ferroeléctrica en hemts ferroeléctricos.
Dicha puerta permite un control dinámico sobre el 2deg, ofreciendo el potencial para diversificar la funcionalidad de los dispositivos basados en GaN. Los métodos convencionales para cultivar capas de scaln en GaN requieren técnicas complejas y altas temperaturas de procesamiento.
En contraste, la pulverización es una alternativa prometedora, que ofrece una configuración mínima con la posibilidad de procesamiento a baja temperatura. Sin embargo, los estudios sobre el crecimiento basado en la pulverización de Scaln en GaN siguen siendo limitados, y la influencia de la temperatura de crecimiento en sus propiedades eléctricas y estructurales sigue sin estar clara.
En un nuevo estudio, un equipo de investigación dirigido por el profesor asociado Atsushi Kobayashi del Departamento de Ciencia y Tecnología de los Materiales de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS), Japón, cultivó con éxito películas delgadas en heteroestructuras de Algan/GaN utilizando la pulverización y estudió el efecto de la temperatura de crecimiento en sus propiedades. Su estudio fue publicado en la revista Materiales de APL.
“En comparación con las técnicas de deposición costosas y complejas, la pulverización, ampliamente utilizadas en la fabricación de productos electrónicos, pueden permitir la producción en masa de películas delgadas de Scaln a costos mucho más bajos, lo que hace que los dispositivos de alto rendimiento sean más accesibles”, explica el Dr. Kobayashi.
El equipo también incluyó al Sr. Shunsuke OTA, un graduado de TUS de 2024.
Los investigadores cultivaron películas de Scaln con 10% de contenido de escandio en heteroestructuras de Algan/ALN/GAN mediante la pulverización a temperaturas variables. Luego estudiaron la estructura de las películas utilizando microscopía de fuerza atómica (AFM) y difracción de electrones de alta energía.
Su análisis reveló que el crecimiento epitaxial se logró incluso a una temperatura baja de 250 ° C, y la planitud de la superficie de las películas mejoró con el aumento de la temperatura. En particular, se observó una clara estructura de superficie de paso y terrible para la muestra cultivada a 750 ° C, lo que indica una alta calidad estructural.
Las mediciones de efectos de la sala revelaron que la densidad del portador en el 2deg para la muestra cultivada a 750 ° C alcanzó 1.1 × 1013 cm-2, aproximadamente tres veces mayor que las de las heteroestructuras de Algan/ALN/GAN sin escalón. En contraste, las películas cultivadas a temperaturas más bajas exhibieron densidades de portadores más bajas que las de las heteroestructuras iniciales que no son de escalada.
Estos resultados demuestran que la temperatura de crecimiento es crítica para la formación de 2deg dentro de la heteroestructura. La mejora en la densidad del portador a 750 ° C se atribuyó a una mejor calidad estructural. Sin embargo, se redujo la movilidad electrónica en todas las muestras de Scaln, en comparación con la heteroestructura inicial, probablemente debido a la rugosidad y las imperfecciones estructurales introducidas por la barrera de Scaln cerca de las interfaces ALGAN/ALN/GAN.
“Los hallazgos de este estudio destacan el papel clave de las condiciones de crecimiento en la epitaxia de las películas de Scaln”, dice el Dr. Kobayashi.
“Es importante destacar que nuestro estudio demuestra la viabilidad de la pulverización para el crecimiento de las capas de escamas de alta calidad en GaN, ofreciendo un camino práctico hacia la comercialización de los hemts de GaN de alto rendimiento con barreras de Scaln.
“Esto conducirá al uso generalizado de estos transistores, que son fundamentales para el desarrollo de dispositivos altamente eficientes que ahorran energía que pueden operar en condiciones duras, incluidos vehículos eléctricos y vehículos espaciales, lo que lleva al desarrollo de un futuro sostenible”.
Más información: Shunsuke OTA et al, Efecto de la temperatura de crecimiento en las propiedades estructurales y eléctricas de Scaln-Epitaxial Scaln en heteroestructuras Algan/ALN/GAN, materiales APL (2025). Doi: 10.1063/5.0281540
Proporcionado por la Universidad de Ciencias de Tokio
Cita: cómo la pulverización podría impulsar la adopción de transistores basados en Scaln de alto rendimiento (2025, 12 de agosto) recuperado el 12 de agosto de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-08-08-sputtering-high-scaln a base de seguimiento.html
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