Nytt materiale for å skyve grensene for silisiumbasert elektronikk

21. januar 2019, Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF

Fraunhofer IAF utvikler elektroniske komponenter og systemer basert på GaN. Bildet viser en behandlet GaN-skive. Kreditt: Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF

Elektronikkmarkedet vokser kontinuerlig, og det samme er etterspørselen etter stadig mer kompakte og effektive elektroniske kraftelektriske systemer. De dominerende elektroniske komponentene basert på silisium vil i overskuelig fremtid ikke lenger være i stand til å oppfylle de økende industrielle kravene. Dette er grunnen til at forskere fra universitetet i Freiburg, Sustainability Center Freiburg og Fraunhofer-Gesellschaft har gått sammen for å utforske en ny materialstruktur som kan være bedre egnet for fremtidig kraftelektronikk.

Det nylig lanserte prosjektet "Research of Functional Semiconductor Structures for Energy Efficient Power Electronics" (kort sagt "Power Electronics 2020+") forsker på det nye halvledermaterialet skandiumaluminiumnitrid (ScAlN). Professor Dr. Oliver Ambacher, direktør for Fraunhofer IAF og professor i kraftelektronikk ved Institutt for bærekraftig systemteknikk (INATECH) ved universitetet i Freiburg, koordinerer det overregionale samarbeidet.

Tre viktige faktorer er ansvarlige for den sterke veksten i elektronikkmarkedet : automatisering og digitalisering av industrien, samt økende bevissthet om økologisk ansvar og bærekraftige prosesser. Kraftforbruket kan bare senkes hvis elektroniske systemer blir mer energi- og ressurseffektive samtidig som de blir kraftigere.

Til dags dato dominerer silisium elektronikkindustrien. Med sin relative lave pris og en nesten perfekt krystallstruktur har silisium blitt et spesielt vellykket halvledermateriale, også fordi båndhullet gir mulighet for både god ladningskonsentrasjon og hastighet samt god dielektrisk styrke. Imidlertid når silisiumelektronikk gradvis sin fysiske grense. Spesielt med hensyn til den nødvendige krafttettheten og kompaktheten, er elektroniske komponenter i silisiumkraft utilstrekkelige.

Innovativ materialkomposisjon for mer kraft og effektivitet

Begrensningene i silisiumteknologi er allerede overvunnet ved bruk av galliumnitrid (GaN) som halvleder innen kraftelektronikk. GaN klarer seg bedre i forhold til høye spenninger, høye temperaturer og raske koblingsfrekvenser sammenlignet med silisium . Dette går hånd i hånd med betydelig høyere energieffektivitet - med mange energikrevende bruksområder betyr dette en betydelig reduksjon i energiforbruket. Fraunhofer IAF har forsket på GaN som et halvledermateriale for elektroniske komponenter og systemer i mange år. Ved hjelp av industripartnere er resultatene av dette forskningsarbeidet allerede blitt brukt til kommersiell bruk. Forskerne i prosjektet "Power Electronics 2020+" vil komme enda lenger for å styrke energieffektiviteten og holdbarheten til neste generasjon elektroniske systemer . For dette formålet vil et annet og nytt materiale bli brukt: skandiumaluminiumnitrid (ScAlN).

Et team av forskere ved Fraunhofer IAF har arbeidet med de piezoelektriske egenskapene til ScAlN for bruk i høyfrekvente filtre i mange år. Bildet viser karakteriseringen av slike enheter på en skive. Kreditt: Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF

ScAlN er et piezoelektrisk halvledermateriale med høy dielektrisk styrke som i stor grad er uutforsket over hele verden med hensyn til dens brukbarhet i mikroelektroniske applikasjoner. "Det faktum at skandiumaluminiumnitrid er spesielt godt egnet for elektroniske kraftelementer, på grunn av dets fysiske egenskaper, er allerede bevist," forklarer Dr.-Ing. Michael Mikulla, prosjektleder fra Fraunhofer IAFs side. Målet med prosjektet er å dyrke gitter-tilpasset ScAlN på et GaN-lag og å bruke de resulterende heterostrukturer til å behandle transistorer med høy strømkapasitet. "Funksjonelle halvlederstrukturer basert på materialer med stor båndhull, for eksempel skandiumaluminiumnitrid og galliumnitrid, gir mulighet for transistorer med veldig høye spenninger og strømmer. Disse enhetene oppnår en høyere effekttetthet per flisoverflate samt høyere koblingshastigheter og høyere drift temperaturer. Dette er synonymt med lavere vekslingstap, høyere energieffektivitet og mer kompakte systemer, legger professor Dr. Oliver Ambacher til, direktør for Fraunhofer IAF. "Ved å kombinere begge materialene , GaN og ScAlN, ønsker vi å doble den maksimale mulige utgangseffekten til enhetene våre, samtidig som vi reduserer energibehovet betydelig," sier Mikulla.

Pionerarbeid i materialforskning

En av de største utfordringene med prosjektet er krystallvekst, med tanke på at det ikke eksisterer struktur hverken vekstoppskrifter eller empiriske verdier for dette materialet. Prosjektgruppen må utvikle disse i løpet av de neste månedene for å oppnå reproduserbare resultater og for å produsere lagstrukturer som med hell kan brukes til kraftelektroniske applikasjoner.

Forskningsprosjektet skal gjennomføres i nært samarbeid mellom universitetet i Freiburg, Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF, Sustainability Center Freiburg samt Fraunhofer Institution for Integrated Systems and Device Technology IISB i Erlangen, som er medlem av High-Performance Center for Electronic Systems i Erlangen. Denne nye formen for samarbeid mellom universitetsforskning og applikasjonsorientert utvikling skal fungere som en rollemodell for fremtidig prosjektsamarbeid. På den ene siden letter denne modellen samarbeidet med selskaper gjennom hurtig overføring av resultater fra grunnleggende forskning til applikasjonsorientert utvikling. På den andre siden åpner den for synergier mellom to teknisk komplementære Fraunhofer-sentre fra to forskjellige regioner og forbedrer dermed begge tilbudene deres for potensielle kunder i halvlederindustrien, "sier prof. Ambacher.