Los transistores de alta movilidad electrónica (HEMT) basados en nitruro de galio (GaN) desempeñan un papel esencial en aplicaciones de alta potencia y frecuencia, especialmente en dispositivos de comunicaciones inalámbricas rápidas y sistemas de conmutación. Estos transistores FET aprovechan una estructura de heterojunción, formada generalmente por GaN y aluminio-galio (AlGaN), que crea una fina capa conductora conocida como gas de electrones bidimensional (2DEG), donde la movilidad electrónica es notablemente elevada. Esta combinación permite a los HEMT funcionar eficazmente en entornos donde se requiere bajo nivel de ruido y alta velocidad. En este contexto, la Universidad de Ciencias de Tokio ha desarrollado películas delgadas de ScAlN sobre heteroestructuras de AlGaN/GaN mediante pulverización catódica y ha estudiado el efecto de la temperatura de crecimiento en sus propiedades.
Recientemente, ha crecido el interés en incorporar nitruro de escandio y aluminio (ScAlN) como material de barrera en los HEMT de GaN, ya que su alta polarización favorece un aumento en la densidad de electrones dentro del gas de electrones bidimensional. Además, las propiedades ferroeléctricas del ScAlN abren nuevas oportunidades al permitir el control directo de las características eléctricas del dispositivo, diversificando sus posibles usos en la electrónica avanzada. Tradicionalmente, el crecimiento de capas de ScAlN sobre GaN ha requerido métodos sofisticados y temperaturas elevadas, lo que limita su adopción en procesos industriales.
La técnica de pulverización catódica ha surgido como una alternativa prometedora para depositar ScAlN sobre GaN, ya que permite trabajar a temperaturas más bajas y con una configuración técnica menos compleja. Sin embargo, aún son escasos los trabajos que exploran cómo afecta la temperatura de crecimiento a las propiedades eléctricas y estructurales de las capas de ScAlN obtenidas mediante este método.
Avances en la síntesis de ScAlN sobre heteroestructuras AlGaN/GaN
Un reciente estudio llevado a cabo por un grupo de científicos de la Universidad de Ciencias de Tokio analizó el crecimiento de películas delgadas de ScAlN sobre AlGaN/GaN utilizando pulverización catódica. El equipo produjo capas epitaxiales de ScAlN con un contenido de escandio del 10% sobre heteroestructuras de AlGaN/AlN/GaN, explorando diferentes temperaturas de procesamiento durante la síntesis.
Utilizando técnicas como microscopía de fuerza atómica (AFM) y difracción de electrones de alta energía, los investigadores observaron que el crecimiento epitaxial era posible incluso a 250°C. Además, detectaron que cuanto mayor era la temperatura, mejor era la planitud superficial de las capas. En las muestras sintetizadas a 750°C, las imágenes mostraban claramente una topografía superficial compuesta por escalones y terrazas, señalando una calidad estructural destacada.
Los datos obtenidos mediante mediciones del efecto Hall revelaron información relevante sobre la densidad de portadores en el 2DEG. En particular, la muestra cultivada a 750°C alcanzó una densidad de portadores de 1,1 × 1013 cm−2, lo que representa un incremento de aproximadamente tres veces respecto a estructuras similares sin la presencia de ScAlN. Por el contrario, las muestras fabricadas a temperaturas más bajas presentaron densidades menores incluso que las estructuras de referencia, subrayando la importancia de la temperatura en el proceso.
Se observó, no obstante, que la movilidad de electrones en las muestras de ScAlN se redujo en comparación con las heteroestructuras originales, posiblemente debido a una mayor rugosidad e imperfecciones en las barreras ScAlN que afectan a las interfaces AlGaN/AlN/GaN. Este hallazgo sugiere que existe una relación directa entre la calidad estructural de la barrera y el comportamiento electrónico final del dispositivo.
El desarrollo de estrategias basadas en el adecuado control de la temperatura y el tipo de material permitirá optimizar los HEMT de GaN para su integración en futura electrónica de alto rendimiento, destinada a comunicaciones y sistemas de energía avanzados.