Nytt material för att driva gränserna för kiselbaserad elektronik

21 januari 2019, Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF

Fraunhofer IAF utvecklar elektroniska komponenter och system baserade på GaN. Bilden visar en bearbetad GaN-skiva. Kredit: Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF

Elektronikmarknaden växer ständigt och efterfrågan på alltmer kompakta och effektiva elektroniska kraftelektroniska system. De dominerande elektroniska komponenterna baserade på kisel kommer under överskådlig framtid inte längre att kunna uppfylla de ökande industriella kraven. Det är därför forskare från universitetet i Freiburg, Sustainability Center Freiburg och Fraunhofer-Gesellschaft har gått samman för att utforska en ny materialstruktur som kan vara bättre lämpad för framtida kraftelektronik.

Det nyligen lanserade projektet "Research of Functional Semiconductor Structures for Energy Efficient Power Electronics" (kort sagt "Power Electronics 2020+") forskar på det nya halvledarmaterialet skandiumaluminiumnitrid (ScAlN). Professor Dr. Oliver Ambacher, chef för Fraunhofer IAF och professor i kraftelektronik vid institutionen för hållbar systemteknik (INATECH) vid universitetet i Freiburg, koordinerar det supra-regionala samarbetet.

Tre viktiga faktorer är ansvariga för den starka tillväxten på elektronikmarknaden : automatisering och digitalisering av branschen samt ökad medvetenhet om ekologiskt ansvar och hållbara processer. Strömförbrukningen kan endast sänkas om elektroniska system blir mer energi- och resurseffektiva samtidigt som de blir kraftigare.

Hittills dominerar kisel elektronikindustrin. Med sin relativt låga kostnad och en nästan perfekt kristallstruktur har kisel blivit ett särskilt framgångsrikt halvledarmaterial, också för att dess bandgap möjliggör både en god laddningsbärarkoncentration och hastighet såväl som en god dielektrisk styrka. Emellertid når kiselelektroniken gradvis sin fysiska gräns. Speciellt med avseende på den erforderliga effekttätheten och kompaktheten är kiselkraftelektroniska komponenter otillräckliga.

Innovativ materialkomposition för mer kraft och effektivitet

Begränsningarna av kiselteknologi har redan övervinnts genom användning av galliumnitrid (GaN) som halvledare inom kraftelektronik. GaN klarar sig bättre när det gäller höga spänningar, höga temperaturer och snabbomkopplingsfrekvenser jämfört med kisel . Detta går hand i hand med betydligt högre energieffektivitet - med många energikrävande applikationer innebär detta en betydande minskning av energiförbrukningen. Fraunhofer IAF har under många år forskat på GaN som ett halvledarmaterial för elektroniska komponenter och system. Med hjälp av industripartners har resultaten av detta forskningsarbete redan använts för kommersiellt bruk. Forskarna i projektet "Power Electronics 2020+" kommer att gå ännu längre för att återigen förbättra energieffektiviteten och hållbarheten för nästa generations elektroniska system . För detta ändamål kommer ett annat och nytt material att användas: skandiumaluminiumnitrid (ScAlN).

Ett team av forskare vid Fraunhofer IAF har arbetat med de piezoelektriska egenskaperna hos ScAlN för användning i högfrekventa filter i många år. Bilden visar karakteriseringen av sådana enheter på en skiva. Kredit: Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF

ScAlN är ett piezoelektriskt halvledarmaterial med en hög dielektrisk hållfasthet som till stor del är utforskad över hela världen med avseende på dess användbarhet i mikroelektroniska applikationer. "Det faktum att skandiumaluminiumnitrid är särskilt väl lämpat för elektroniska elkomponenter på grund av dess fysiska egenskaper har redan bevisats," förklarar Dr.-Ing. Michael Mikulla, projektledare från Fraunhofer IAF. Syftet med projektet är att odla gittermatchat ScAlN på ett GaN-lager och att använda de resulterande heterostrukturerna för att bearbeta transistorer med hög strömförmåga. "Funktionella halvledarkonstruktioner baserade på material med ett stort bandgap, såsom skandiumaluminiumnitrid och galliumnitrid, möjliggör transistorer med mycket höga spänningar och strömmar. Dessa enheter når en högre effektdensitet per spånyta samt högre växlingshastigheter och högre drift temperaturer. Detta är synonymt med lägre kopplingsförluster, högre energieffektivitet och mer kompakta system, "tillägger professor Dr. Oliver Ambacher, chef för Fraunhofer IAF. "Genom att kombinera båda materialen , GaN och ScAlN, vill vi fördubbla den maximala möjliga utgångseffekten för våra enheter samtidigt som vi minskar energibehovet avsevärt," säger Mikulla.

Banbrytande arbete inom materialforskning

En av de största utmaningarna med projektet är kristalltillväxt, med tanke på att det finns existerande struktur varken tillväxtrecepter eller empiriska värden för detta material ännu. Projektgruppen måste utveckla dessa under de kommande månaderna för att uppnå reproducerbara resultat och för att producera skiktstrukturer som framgångsrikt kan användas för kraft elektroniska applikationer.

Forskningsprojektet kommer att genomföras i nära samarbete mellan 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 är medlem av High Performance Center för elektroniska system i Erlangen. Denna nya form av samarbete mellan universitetsforskning och applikationsorienterad utveckling ska fungera som en förebild för framtida projektsamarbete. "Å ena sidan underlättar denna modell samarbetet med företag genom snabb överföring av resultat från grundforskning till applikationsorienterad utveckling. Å andra sidan öppnar den synergier mellan två tekniskt komplementära Fraunhofer-centra från två olika regioner och därmed förbättras båda deras erbjudanden för potentiella kunder inom halvledarindustrin, säger prof. Ambacher.