Νέο υλικό για να ωθήσει τα όρια των ηλεκτρονίων με βάση το πυρίτιο

21 Ιανουαρίου 2019, Ινστιτούτο Εφαρμοσμένης Φυσικής Στερεάς Κατάστασης Fraunhofer IAF

Η Fraunhofer IAF αναπτύσσει ηλεκτρονικά εξαρτήματα και συστήματα βασισμένα στο GaN. Η εικόνα εμφανίζει επεξεργασμένο δισκίο GaN. Πιστωτική: Fraunhofer Institute for Applied Physics Στερεάς Κατάστασης IAF

Η αγορά ηλεκτρονικών ειδών συνεχώς αυξάνεται και η ζήτηση για όλο και πιο συμπαγή και αποδοτικά ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος. Τα κυρίαρχα ηλεκτρονικά εξαρτήματα που βασίζονται στο πυρίτιο, στο εγγύς μέλλον, δεν θα είναι πλέον σε θέση να ανταποκριθούν στις αυξανόμενες βιομηχανικές απαιτήσεις. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι επιστήμονες από το πανεπιστήμιο του Freiburg, το κέντρο βιωσιμότητας Freiburg και το Fraunhofer-Gesellschaft έχουν ενώσει τις δυνάμεις τους για να διερευνήσουν μια νέα υλική δομή που μπορεί να είναι πιο κατάλληλη για τις μελλοντικές ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος.

Το πρόσφατα εγκαινιασμένο έργο "Έρευνα των λειτουργικών δομών ημιαγωγών για ενεργειακά αποδοτικά ηλεκτρονικά ισχύος" (εν συντομία "Power Electronics 2020+") ερευνά το νέο νιτρίδιο αργιλίου αλουμινίου scandium (ScAlN). Ο καθηγητής Dr. Oliver Ambacher, διευθυντής της Fraunhofer IAF και καθηγητής ηλεκτρονικής ισχύος στο Τμήμα Μηχανικών Βιώσιμων Συστημάτων (INATECH) του πανεπιστημίου του Freiburg, συντονίζει την υπερεθνική συνεργασία.

Τρεις βασικοί παράγοντες ευθύνονται για την ισχυρή ανάπτυξη της αγοράς ηλεκτρονικών : η αυτοματοποίηση και η ψηφιοποίηση της βιομηχανίας, καθώς και η αυξανόμενη συνειδητοποίηση της οικολογικής ευθύνης και των βιώσιμων διαδικασιών. Η κατανάλωση ενέργειας μπορεί να μειωθεί μόνο εάν τα ηλεκτρονικά συστήματα γίνουν πιο ενεργειακά και αποδοτικά από πλευράς πόρων την ίδια στιγμή που γίνονται πιο δυνατά.

Μέχρι σήμερα, το πυρίτιο κυριαρχεί στη βιομηχανία ηλεκτρονικών. Με το σχετικά χαμηλό κόστος και την σχεδόν τέλεια κρυσταλλική δομή, το πυρίτιο έχει καταστεί ένα ιδιαίτερα επιτυχημένο ημιαγωγό υλικό, καθώς επίσης και επειδή το εύρος ζώνης του επιτρέπει τόσο την καλή συγκέντρωση φορέα φόρτισης όσο και την ταχύτητα, καθώς και καλή διηλεκτρική ισχύ. Ωστόσο, τα ηλεκτρονικά πυριτίου φθάνουν βαθμιαία στο φυσικό τους όριο. Ειδικά όσον αφορά την απαιτούμενη πυκνότητα ισχύος και συμπαγή δύναμη, τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα ισχύος πυριτίου είναι ανεπαρκή.

Πρωτοποριακή σύνθεση υλικών για περισσότερη ισχύ και αποδοτικότητα

Οι περιορισμοί της τεχνολογίας πυριτίου έχουν ήδη ξεπεραστεί με τη χρήση νιτριδίου του γαλλίου (GaN) ως ημιαγωγού στις ηλεκτρονικές μονάδες ισχύος. Το GaN εκτελεί καλύτερα σε συνθήκες υψηλής τάσης, υψηλών θερμοκρασιών και συχνοτήτων γρήγορης εναλλαγής σε σύγκριση με το πυρίτιο . Αυτό συμβαδίζει με σημαντικά υψηλότερη ενεργειακή απόδοση - με πολλές εφαρμογές που καταναλώνουν ενέργεια, αυτό σημαίνει σημαντική μείωση της κατανάλωσης ενέργειας. Η Fraunhofer IAF ερευνά για πολλά χρόνια το GaN ως ημιαγωγό υλικό για ηλεκτρονικά εξαρτήματα και συστήματα. Με τη βοήθεια βιομηχανικών εταίρων, τα αποτελέσματα αυτής της ερευνητικής εργασίας έχουν ήδη τεθεί σε εμπορική χρήση. Οι επιστήμονες του έργου "Power Electronics 2020+" θα προχωρήσουν ακόμα περισσότερο, προκειμένου να βελτιώσουν εκ νέου την ενεργειακή αποδοτικότητα και την ανθεκτικότητα της επόμενης γενιάς ηλεκτρονικών συστημάτων . Για το σκοπό αυτό, θα χρησιμοποιηθεί ένα διαφορετικό και νέο υλικό: νιτρίδιο αργινίου σκανδίου (ScAlN).

Μια ομάδα ερευνητών της Fraunhofer IAF εργάζεται για τις πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες του ScAlN για χρήση σε φίλτρα υψηλής συχνότητας για πολλά χρόνια. Η εικόνα δείχνει τον χαρακτηρισμό τέτοιων συσκευών σε δίσκο. Πιστωτική: Fraunhofer Institute for Applied Physics Στερεάς Κατάστασης IAF

Το ScAlN είναι ένα υλικό πιεζοηλεκτρικού ημιαγωγού με υψηλή διηλεκτρική αντοχή που είναι σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητο παγκοσμίως όσον αφορά τη χρηστικότητα του σε μικροηλεκτρονικές εφαρμογές. "Το γεγονός ότι το σπινθήριο νιτρίδιο του αργιλίου είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα ισχύος, λόγω των φυσικών ιδιοτήτων του, έχει ήδη αποδειχθεί», εξηγεί ο Dr.-Ing. Michael Mikulla, υπεύθυνος έργου της Fraunhofer IAF. Σκοπός του έργου είναι να αναπτυχθεί το ScAlN σε κλίμακα GaN σε στρώμα GaN και να χρησιμοποιηθούν οι προκύπτουσες ετεροδομές για την επεξεργασία τρανζίστορ με υψηλή ικανότητα μεταφοράς ρεύματος. "Οι λειτουργικές δομές ημιαγωγών που βασίζονται σε υλικά με μεγάλο εύρος ζώνης, όπως το νιτρίδιο αργιλίου σκανδίου και το νιτρίδιο του γαλλίου, επιτρέπουν την κατασκευή τρανζίστορ με πολύ υψηλές τάσεις και ρεύματα, οι οποίες επιτυγχάνουν υψηλότερη πυκνότητα ισχύος ανά επιφάνεια τσιπ καθώς και υψηλότερες ταχύτητες μεταγωγής και υψηλότερες λειτουργίες η οποία είναι συνώνυμη με χαμηλότερες απώλειες μεταγωγής, υψηλότερη ενεργειακή απόδοση και πιο συμπαγή συστήματα ", προσθέτει ο καθηγητής Dr. Oliver Ambacher, διευθυντής της Fraunhofer IAF. "Συνδυάζοντας τα δύο υλικά , το GaN και το ScAlN, θέλουμε να διπλασιάσουμε τη μέγιστη δυνατή ισχύ εξόδου των συσκευών μας, μειώνοντας ταυτόχρονα σημαντικά την ενεργειακή ζήτηση", λέει ο Mikulla.

Πρωτοποριακή εργασία στην έρευνα υλικών

Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις του έργου είναι η αύξηση των κρυστάλλων, θεωρώντας ότι δεν υπάρχουν δομές ανάπτυξης ούτε εμπειρικές αξίες γι 'αυτό το υλικό. Η ομάδα του έργου πρέπει να αναπτύξει αυτές τις μεθόδους κατά τους επόμενους μήνες, προκειμένου να επιτευχθούν αναπαραγωγικά αποτελέσματα και να δημιουργηθούν δομές στρώσεων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν με επιτυχία για ηλεκτρονικές εφαρμογές ισχύος.

Το ερευνητικό έργο θα διεξαχθεί σε στενή συνεργασία μεταξύ του πανεπιστημίου του Φράιμπουργκ, του Ινστιτούτου Fraunhofer για εφαρμοσμένη φυσική στερεάς κατάστασης IAF, του κέντρου βιωσιμότητας Freiburg καθώς και του Ινστιτούτου Fraunhofer για ολοκληρωμένα συστήματα και τεχνολογίες συσκευών IISB στο Erlangen, το οποίο είναι μέλος το Κέντρο Υψηλών Επιδόσεων για ηλεκτρονικά συστήματα στο Erlangen. Αυτή η νέα μορφή συνεργασίας μεταξύ της πανεπιστημιακής έρευνας και της ανάπτυξης με γνώμονα την εφαρμογή θα χρησιμεύσει ως πρότυπο για τη μελλοντική συνεργασία των σχεδίων. "Από τη μια πλευρά, το μοντέλο αυτό διευκολύνει τη συνεργασία με τις εταιρείες μέσω της άμεσης μεταφοράς των αποτελεσμάτων από βασική έρευνα σε ανάπτυξη με προσανατολισμό στις εφαρμογές. Από την άλλη, ανοίγει συνεργίες μεταξύ δύο τεχνικά συμπληρωματικών κέντρων Fraunhofer από δύο διαφορετικές περιοχές και βελτιώνει τόσο τις προσφορές τους για πιθανούς πελάτες της βιομηχανίας ημιαγωγών », λέει ο καθηγητής Ambacher.