Új anyag a szilícium alapú elektronika határainak elmozdításához

2019. január 21., Fraunhofer Alkalmazott Szilárdtestfizikai Intézet IAF

A Fraunhofer IAF a GaN-en alapuló elektronikus alkatrészeket és rendszereket fejleszt. A képen egy feldolgozott GaN-ostya látható. Hitel: Fraunhofer Alkalmazott Szilárdtestfizikai Intézet IAF

Az elektronikai piac folyamatosan növekszik, és az egyre kompaktabb és hatékonyabb elektromos elektronikus rendszerek iránti igény. A szilíciumon alapuló domináns elektronikai alkatrészek a közeljövőben már nem képesek kielégíteni az egyre növekvő ipari követelményeket. Ez az oka annak, hogy a Freiburgi Egyetem, Freiburg Fenntarthatósági Központ és a Fraunhofer-Gesellschaft tudósai egyesítették az erőforrásokat annak érdekében, hogy felfedezzenek egy új anyagszerkezetet, amely jobban illeszkedik a jövőbeni teljesítményelektronikához.

A nemrégiben elindított projekt "Funkcionális félvezető szerkezetek kutatása az energiahatékony energiaelektronikához" (röviden "Power Electronics 2020+") kutatja az új félvezető anyag skandium-alumínium-nitridet (ScAlN). Prof. Dr. Oliver Ambacher, a Fraunhofer IAF igazgatója és a Freiburgi Egyetem Fenntartható Rendszertechnikai Tanszékén (INATECH) működő villamos elektronika professzora koordinálja a régiók közötti együttműködést.

Az elektronikai piac erős növekedésének három kulcsfontosságú tényezője van : az ipar automatizálása és digitalizálása, valamint az ökológiai felelősség és a fenntartható folyamatok fokozott tudatosítása. Az energiafogyasztást csak akkor lehet csökkenteni, ha az elektronikus rendszerek energia- és erőforrás-hatékonyabbá válnak, ugyanakkor erősebbé válnak.

Napjainkban a szilícium dominál az elektronikai iparban. A viszonylag alacsony költséggel és majdnem tökéletes kristályszerkezettel a szilícium különösen sikeres félvezető anyaggá vált, mégpedig azért is, mert sávszélessége lehetővé teszi mind a jó töltőanyag-koncentrációt, mind a sebességet, valamint a jó dielektromos szilárdságot. A szilícium-elektronika azonban fokozatosan eléri a fizikai határt. Különösen a szükséges teljesítménysűrűség és tömörség tekintetében, a szilícium teljesítményű elektronikus alkatrészek nem elegendőek.

Innovatív anyagösszetétel a nagyobb teljesítmény és hatékonyság érdekében

A szilícium-technológia korlátait már leküzdték a gallium-nitrid (GaN) félvezetőként történő használata a teljesítményelektronikában. A GaN jobban működik a magas feszültség, a magas hőmérséklet és a gyors átkapcsolási frekvenciák esetén a szilíciumhoz képest . Ez párhuzamosan jelentősen nagyobb energiahatékonysággal jár - számos energiafogyasztó alkalmazással ez jelentős energiafelhasználás csökkenést jelent. A Fraunhofer IAF évek óta kutatja GaN-t az elektronikus alkatrészek és rendszerek félvezető anyagaként. Ipari partnerek segítségével ezeknek a kutatási munkáknak az eredményeit már kereskedelmi célokra hasznosították. A "Power Electronics 2020+" projekt tudósai még tovább mennek annak érdekében, hogy még egyszer növeljék az elektronikus rendszerek következő generációjának energiahatékonyságát és tartósságát . Ebből a célból más és új anyag kerül felhasználásra: scandium alumínium-nitrid (ScAlN).

A Fraunhofer IAF kutatócsoportja sok éven át dolgozik a ScAlN piezoelektromos tulajdonságaiban a nagyfrekvenciás szűrőkben való felhasználásra. A képen az ilyen eszközök leírása egy ostyán. Hitel: Fraunhofer Alkalmazott Szilárdtestfizikai Intézet IAF

A ScAlN egy nagy dielektromos erősségű piezoelektromos félvezető anyag, amelyet világszerte nem fedeznek fel a mikroelektronikai alkalmazásokban való felhasználhatóság szempontjából. „Az a tény, hogy a skandium-alumínium-nitrid különösen alkalmas az elektromos elektronikus alkatrészekre, fizikai tulajdonságai miatt, már bizonyított” - magyarázza Dr.-Ing. Michael Mikulla, a Fraunhofer IAF projektvezetője. A projekt célja, hogy a rács-illeszkedő ScAlN-t egy GaN-rétegre emelje, és a kapott heterostruktúrákat nagy áramerősségű tranzisztorok feldolgozására használja. "A nagy sávszélességű anyagokon alapuló funkcionális félvezető szerkezetek, mint pl. A skandium-alumínium-nitrid és a gallium-nitrid, lehetővé teszik a nagyon magas feszültségű és áramú tranzisztorokat. Ezek az eszközök nagyobb teljesítménysűrűséget érnek el egy chip felületén, valamint nagyobb kapcsolási sebességet és nagyobb működési sebességet Ez az alacsonyabb kapcsolási veszteségek, a nagyobb energiahatékonyság és a kompaktabb rendszerek szinonimája. ”- tette hozzá Prof. Dr. Oliver Ambacher, a Fraunhofer IAF igazgatója. "Mindkét anyag , a GaN és a ScAlN kombinálásával meg szeretnénk duplázni készülékeink maximális lehetséges kimeneti teljesítményét, ugyanakkor jelentősen csökkenti az energiaigényt" - mondja Mikulla.

Úttörő munka az anyagkutatásban

A projekt egyik legnagyobb kihívása a kristálynövekedés, tekintve, hogy exszisztens struktúra sem állít fel növekedési recepteket, sem empirikus értékeket erre az anyagra. A projektcsapatnak ezeket a következő hónapokban fejlesztenie kell, hogy elérje a reprodukálható eredményeket, és olyan rétegszerkezeteket állítson elő, amelyek sikeresen felhasználhatók az elektromos elektronikus alkalmazásokhoz.

A kutatási projekt a Freiburgi Egyetem, az IAF Fraunhofer Alkalmazott Szilárdfizikai Intézete, a Freiburg Fenntarthatósági Központ, valamint az Erlangenben működő IISB Integrált Rendszerek és Eszköz Technológia Intézetének szoros együttműködésében zajlik. az Erlangen Elektronikai Rendszerek Nagy teljesítményű Központja. Az egyetemi kutatás és az alkalmazásorientált fejlesztés közötti együttműködés új formája a jövőbeni projekt-együttműködés szerepének mintájára szolgál. „Egyrészt ez a modell megkönnyíti a vállalatokkal való együttműködést az alapkutatás eredményeinek az alkalmazásorientált fejlesztésbe történő gyors átadásával. Másrészt, két különböző technikailag kiegészítő két különböző régióból származó, egymástól független Fraunhofer központok közötti szinergiákat nyit, és így javul mindkét ajánlat a félvezető ipar potenciális ügyfelei számára ”- mondja Ambacher professzor.