Nyt materiale til at flytte grænserne for siliciumbaseret elektronik

Elektronikmarkedet vokser konstant, og det samme er efterspørgslen efter stadig mere kompakte og effektive kraftelektroniksystemer. De overvejende elektroniske komponenter baseret på silicium vil inden for en overskuelig fremtid ikke længere kunne opfylde de stigende industrielle krav. Dette er grunden til, at forskere fra universitetet i Freiburg, Bæredygtighedscentret Freiburg og Fraunhofer-Gesellschaft er gået sammen for at udforske en ny materialestruktur, der kan være bedre egnet til fremtidig kraftelektronik.

Det nyligt lancerede projekt "Research of Functional Semiconductor Structures for Energy Efficient Power Electronics" (kort sagt "Power Electronics 2020+") forsker i det nye halvledermateriale scandiumaluminiumnitrid (ScAlN). Prof. Dr. Oliver Ambacher, direktør for Fraunhofer IAF og professor i kraftelektronik ved Institut for Sustainable Systems Engineering (INATECH) ved universitetet i Freiburg, koordinerer det overregionale samarbejde.

Tre nøglefaktorer er ansvarlige for den stærke vækst på elektronikmarkedet:automatiseringen og digitaliseringen af ​​industrien samt den stigende bevidsthed om økologisk ansvarlighed og bæredygtige processer. Strømforbruget kan kun sænkes, hvis elektroniske systemer bliver mere energi- og ressourceeffektive samtidig med, at de bliver mere kraftfulde.

Opdateret, silicium dominerer elektronikindustrien. Med sine relativt lave omkostninger og en næsten perfekt krystalstruktur, silicium er blevet et særligt vellykket halvledermateriale, også fordi dens båndgab giver mulighed for både en god ladningsbærerkoncentration og hastighed samt en god dielektrisk styrke. Imidlertid, siliciumelektronik når gradvist sin fysiske grænse. Især med hensyn til den nødvendige effekttæthed og kompakthed, silicium power elektroniske komponenter er utilstrækkelige.

Innovativ materialesammensætning for mere kraft og effektivitet

Begrænsningerne ved siliciumteknologi er allerede blevet overvundet ved brugen af ​​galliumnitrid (GaN) som en halvleder i kraftelektronik. GaN yder bedre under forhold med høje spændinger, høje temperaturer og hurtige skiftefrekvenser sammenlignet med silicium. Dette går hånd i hånd med markant højere energieffektivitet – med adskillige energiforbrugende applikationer, det betyder en væsentlig reduktion i energiforbruget. Fraunhofer IAF har i mange år forsket i GaN som et halvledermateriale til elektroniske komponenter og systemer. Med hjælp fra industrielle partnere, resultaterne af dette forskningsarbejde er allerede blevet brugt til kommerciel brug. Forskerne i projektet "Power Electronics 2020+" vil gå endnu længere for endnu en gang at forbedre energieffektiviteten og holdbarheden af ​​den næste generation af elektroniske systemer. Til dette formål, et andet og nyt materiale vil blive brugt:scandiumaluminiumnitrid (ScAlN).

ScAlN er et piezoelektrisk halvledermateriale med en høj dielektrisk styrke, som stort set er uudforsket på verdensplan med hensyn til dets anvendelighed i mikroelektroniske applikationer. "Det faktum, at scandium-aluminiumnitrid er særligt velegnet til kraftelektronikkomponenter, på grund af dets fysiske egenskaber, er allerede bevist, " forklarer Dr.-Ing. Michael Mikulla, projektleder fra Fraunhofer IAF's side. Målet med projektet er at dyrke gitter-matchet ScAlN på et GaN-lag og at bruge de resulterende heterostrukturer til at behandle transistorer med høj strømbærende kapacitet. "Funktionelle halvlederstrukturer baseret på materialer med et stort båndgab, såsom scandiumaluminiumnitrid og galliumnitrid, give mulighed for transistorer med meget høje spændinger og strømme. Disse enheder opnår en højere effekttæthed pr. chipoverflade samt højere koblingshastigheder og højere driftstemperaturer. Dette er synonymt med lavere koblingstab, højere energieffektivitet og mere kompakte systemer, " tilføjer Prof. Dr. Oliver Ambacher, direktør for Fraunhofer IAF. "Ved at kombinere begge materialer, GaN og ScAlN, vi ønsker at fordoble den maksimalt mulige udgangseffekt fra vores enheder og samtidig reducere energibehovet markant, " siger Mikulla.

Pionerarbejde inden for materialeforskning

En af projektets største udfordringer er krystalvækst, i betragtning af, at der hverken eksisterer strukturer for vækstopskrifter eller empiriske værdier for dette materiale, endnu. Projektgruppen skal udvikle disse i løbet af de næste måneder for at nå reproducerbare resultater og for at producere lagstrukturer, der med succes kan bruges til kraftelektroniske applikationer.

Forskningsprojektet vil blive udført i tæt samarbejde mellem universitetet i Freiburg, Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF, Sustainability Center Freiburg samt Fraunhofer Institut for Integrated Systems and Device Technology IISB i Erlangen, som er medlem af High-Performance Center for Electronic Systems i Erlangen. Denne nye form for samarbejde mellem universitetsforskning og anvendelsesorienteret udvikling skal fungere som rollemodel for fremtidigt projektsamarbejde. "På den ene side, denne model letter samarbejdet med virksomheder gennem hurtig overførsel af resultater fra grundforskning til anvendelsesorienteret udvikling. På den anden side, det åbner op for synergier mellem to teknisk komplementære Fraunhofer-centre fra to forskellige regioner og forbedrer dermed begge deres tilbud til potentielle kunder i halvlederindustrien, " siger prof. Ambacher.