Nowy materiał do przesuwania granic elektroniki opartej na krzemie

21 stycznia 2019 r. Instytut Fraunhofera Fizyki Ciała Stałego Stosowanego IAF

Fraunhofer IAF opracowuje komponenty elektroniczne i systemy oparte na GaN. Obrazek pokazuje przetworzoną płytkę GaN. Credit: Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF

Rynek elektroniki stale rośnie, podobnie jak zapotrzebowanie na coraz bardziej kompaktowe i wydajne systemy elektroniczne mocy. Dominujące komponenty elektroniczne oparte na krzemie w najbliższej przyszłości nie będą w stanie sprostać rosnącym wymaganiom przemysłowym. Dlatego naukowcy z uniwersytetu we Freiburgu, Sustainability Centre Freiburg i Fraunhofer-Gesellschaft połączyli siły, aby zbadać nową strukturę materiału, która może być lepiej dostosowana do przyszłej elektroniki mocy.

Niedawno rozpoczęty projekt „Badania funkcjonalnych struktur półprzewodnikowych dla energooszczędnej elektroniki mocy” (w skrócie „Power Electronics 2020+”) bada nowatorski materiał półprzewodnikowy azotku glinu skandu (ScAlN). Prof. dr Oliver Ambacher, dyrektor Fraunhofer IAF i profesor energoelektroniki na Wydziale Zrównoważonej Inżynierii Systemów (INATECH) uniwersytetu we Freiburgu, koordynuje współpracę ponadregionalną.

Trzy kluczowe czynniki są odpowiedzialne za silny rozwój rynku elektroniki : automatyzacja i cyfryzacja branży, a także rosnąca świadomość odpowiedzialności ekologicznej i zrównoważonych procesów. Zużycie energii może być obniżone tylko wtedy, gdy systemy elektroniczne stają się bardziej energooszczędne i zasobooszczędne w tym samym czasie, gdy stają się bardziej wydajne.

Dotychczas krzem dominuje w przemyśle elektronicznym. Ze względu na stosunkowo niski koszt i prawie idealną strukturę krystaliczną, krzem stał się szczególnie udanym materiałem półprzewodnikowym, również dlatego, że jego pasmo wzbronione umożliwia zarówno dobre stężenie nośnika ładunku, jak i dobrą wytrzymałość dielektryczną. Jednak elektronika krzemowa stopniowo osiąga swój fizyczny limit. Szczególnie w odniesieniu do wymaganej gęstości mocy i zwartości krzemowe elementy elektroniczne mocy są niewystarczające.

Innowacyjna kompozycja materiałów dla większej mocy i wydajności

Ograniczenia technologii krzemowej zostały już wyeliminowane dzięki zastosowaniu azotku galu (GaN) jako półprzewodnika w elektronice mocy. GaN działa lepiej w warunkach wysokich napięć, wysokich temperatur i szybkich częstotliwości przełączania w porównaniu z krzemem . To idzie w parze ze znacznie wyższą efektywnością energetyczną - dzięki licznym aplikacjom zużywającym energię oznacza to znaczne zmniejszenie zużycia energii. Fraunhofer IAF od wielu lat prowadzi badania nad GaN jako materiałem półprzewodnikowym do elementów elektronicznych i systemów. Dzięki pomocy partnerów przemysłowych wyniki tych prac badawczych zostały już wykorzystane do celów komercyjnych. Naukowcy z projektu „Power Electronics 2020+” pójdą jeszcze dalej, aby jeszcze raz zwiększyć wydajność energetyczną i trwałość systemów elektronicznych nowej generacji . W tym celu wykorzystany zostanie inny i nowy materiał: azotek glinu skandu (ScAlN).

Zespół naukowców z Fraunhofer IAF od wielu lat pracuje nad właściwościami piezoelektrycznymi ScAlN do stosowania w filtrach wysokiej częstotliwości. Zdjęcie przedstawia charakterystykę takich urządzeń na płytce. Credit: Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF

ScAlN to piezoelektryczny materiał półprzewodnikowy o wysokiej wytrzymałości dielektrycznej, który jest niezbadany na całym świecie ze względu na jego przydatność w zastosowaniach mikroelektronicznych. „Fakt, że azotek glinowo-skandynowy jest szczególnie dobrze przystosowany do elementów elektronicznych energooszczędnych, ze względu na swoje właściwości fizyczne, został już udowodniony”, wyjaśnia Dr. Michael Mikulla, kierownik projektu ze strony Fraunhofer IAF. Celem projektu jest rozwój sieci ScAlN dopasowanej do sieci na warstwie GaN i wykorzystanie powstałych heterostruktur do przetwarzania tranzystorów o wysokiej obciążalności prądowej. „Funkcjonalne struktury półprzewodnikowe oparte na materiałach z dużym pasmem wzbronionym, takie jak azotek glinu skandu i azotek galu, pozwalają na tranzystory o bardzo wysokich napięciach i prądach. Urządzenia te osiągają wyższą gęstość mocy na powierzchnię chipa, jak również wyższe prędkości przełączania i wyższe parametry pracy Jest to równoznaczne z mniejszymi stratami przy przełączaniu, wyższą wydajnością energetyczną i bardziej kompaktowymi systemami ”- dodaje prof. dr Oliver Ambacher, dyrektor Fraunhofer IAF. „Łącząc zarówno materiały GaN, jak i ScAlN, chcemy podwoić maksymalną możliwą moc wyjściową naszych urządzeń, jednocześnie znacznie obniżając zapotrzebowanie na energię” - mówi Mikulla.

Pionierska praca w badaniach materiałów

Jednym z największych wyzwań projektu jest wzrost kryształów, biorąc pod uwagę, że nie ma jeszcze struktury ani receptur wzrostu, ani wartości empirycznych dla tego materiału. Zespół projektowy musi je opracować w ciągu następnych miesięcy, aby osiągnąć powtarzalne wyniki i stworzyć struktury warstw, które mogą być z powodzeniem stosowane w aplikacjach energoelektronicznych.

Projekt badawczy będzie prowadzony w ścisłej współpracy między uniwersytetem we Freiburgu, Instytutem Fizyki Ciała Stałego Stosowanego im. Fraunhofera IAF, Centrum Zrównoważonego Rozwoju Freiburg, a także Instytutem Fraunhofera dla Zintegrowanych Systemów i Technologii Urządzeń IISB w Erlangen, który jest członkiem wysokowydajne centrum systemów elektronicznych w Erlangen. Ta nowa forma współpracy między badaniami uniwersyteckimi a rozwojem zorientowanym na aplikacje będzie służyć jako wzór do naśladowania w przyszłej współpracy projektowej. „Z jednej strony model ten ułatwia współpracę z firmami dzięki szybkiemu przenoszeniu wyników z badań podstawowych na rozwój ukierunkowany na zastosowanie, z drugiej strony otwiera synergię między dwoma technicznie uzupełniającymi się centrami Fraunhofera z dwóch różnych regionów, a tym samym poprawia się obie ich oferty dla potencjalnych klientów z branży półprzewodników - mówi prof. Ambacher.