Рынок электроники постоянно растет, так же как и спрос на все более компактные и эффективные силовые электронные системы. Преобладающие электронные компоненты на основе кремния в обозримом будущем больше не смогут соответствовать растущим промышленным требованиям. Вот почему ученые из университета Фрайбурга, Центра устойчивого развития Фрайбурга и Fraunhofer-Gesellschaft объединили свои усилия, чтобы исследовать новую структуру материала, которая может лучше подходить для будущей силовой электроники.

Fraunhofer IAF разрабатывает электронные компоненты и системы на основе GaN. Изображение показывает обработанную пластину GaN. Фото: Институт прикладной физики твердого тела им. Фраунгофера IAF

Недавно запущенный проект «Исследование функциональных полупроводниковых структур для энергоэффективной силовой электроники» (короче «Силовая электроника 2020+») исследует новый полупроводниковый материал — скандий-нитрид алюминия-алюминия (ScAlN). Профессор д-р Оливер Амбахер, директор IAF Фраунгофера и профессор силовой электроники на кафедре инженерии устойчивых систем (INATECH) университета Фрайбурга, координирует надрегиональное сотрудничество.

Три ключевых фактора ответственны за сильный рост рынка электроники: автоматизация и цифровизация отрасли, а также повышение осведомленности об экологической ответственности и устойчивых процессах. Потребление энергии может быть снижено только в том случае, если электронные системы становятся более энергоэффективными и ресурсоэффективными, в то время как они становятся более мощными.

На сегодняшний день кремний доминирует в электронной промышленности. С его относительно низкой стоимостью и почти идеальной кристаллической структурой кремний стал особенно успешным полупроводниковым материалом, в том числе благодаря тому, что его запрещенная зона обеспечивает как хорошую концентрацию и скорость носителей заряда, так и хорошую диэлектрическую прочность. Однако кремниевая электроника постепенно достигает своего физического предела. Особенно в отношении требуемой плотности мощности и компактности, кремниевые силовые электронные компоненты недостаточны.

Инновационный состав материала для большей мощности и эффективности

Ограничения кремниевой технологии уже преодолены благодаря использованию нитрида галлия (GaN) в качестве полупроводника в силовой электронике. GaN работает лучше в условиях высоких напряжений, высоких температур и быстрых частот переключения по сравнению с кремнием. Это идет рука об руку со значительно более высокой энергоэффективностью — с многочисленными энергопотребляющими приложениями это означает значительное снижение энергопотребления. Fraunhofer IAF уже много лет занимается исследованием GaN как полупроводникового материала для электронных компонентов и систем. С помощью промышленных партнеров результаты этой исследовательской работы уже были использованы в коммерческих целях. Ученые проекта «Силовая электроника 2020+» пойдут еще дальше, чтобы еще раз повысить энергоэффективность и долговечность электронных систем следующего поколения.

IAF уже много лет работает над пьезоэлектрическими свойствами ScAlN

Команда исследователей из Фраунгофера IAF уже много лет работает над пьезоэлектрическими свойствами ScAlN для использования в высокочастотных фильтрах. На рисунке показана характеристика таких устройств на пластине. Фото: Институт прикладной физики твердого тела им. Фраунгофера IAF

ScAlN — это пьезоэлектрический полупроводниковый материал с высокой диэлектрической прочностью, который в значительной степени не изучен во всем мире с точки зрения его применимости в микроэлектронных приложениях. «Тот факт, что нитрид алюминия скандий особенно хорошо подходит для силовых электронных компонентов, благодаря своим физическим свойствам, уже доказан», — объясняет д-р инж. Михаил Микулла, руководитель проекта со стороны Фраунгофера IAF. Целью проекта является выращивание согласованного по решетке ScAlN на слое GaN и использование полученных гетероструктур для обработки транзисторов с высокой пропускной способностью по току. «Функциональные полупроводниковые структуры на основе материалов с большой запрещенной зоной, таких как нитрид скандия-алюминия и нитрид галлия, допускают использование транзисторов с очень высокими напряжениями и токами. Эти устройства обеспечивают более высокую плотность мощности на поверхность чипа, а также более высокие скорости переключения и более высокие рабочие температуры. Это является синонимом меньших потерь при переключении, более высокой энергоэффективности и более компактных систем », — добавляет профессор доктор Оливер Амбахер, директор Fraunhofer IAF. «Объединив оба материала, GaN и ScAlN, мы хотим удвоить максимально возможную выходную мощность наших устройств, в то же время значительно снизив энергопотребление», — говорит Микулла.

Новаторская работа в области материаловедения

Одной из самых больших проблем проекта является выращивание кристаллов, учитывая, что пока не существует структуры, ни рецептов роста, ни эмпирических ценностей для этого материала. Команда проекта должна разработать их в течение следующих месяцев, чтобы достичь воспроизводимых результатов и создать структуры слоев, которые могут быть успешно использованы для применения в силовой электронике.

Исследовательский проект будет проводиться в тесном сотрудничестве между университетом Фрайбурга, Институтом прикладной физики твердого тела им. Фраунгофера IAF, Центром устойчивого развития Фрайбурга, а также Институтом интегрированных систем и технологий устройств Фраунгофера в Эрлангене, который является членом Высокопроизводительный центр электронных систем в Эрлангене. Эта новая форма сотрудничества между университетскими исследованиями и прикладной разработкой должна служить образцом для подражания для будущего сотрудничества по проекту. «С одной стороны, эта модель облегчает сотрудничество с компаниями посредством быстрой передачи результатов от фундаментальных исследований к прикладной разработке. С другой стороны,

Hi-Res изображения химических элементов​

Фото: Hi-Res изображения химических элементов​

По материалам phys.org