Nový materiál posúva hranice elektroniky na báze kremíka

21. januára 2019, Fraunhoferov inštitút aplikovanej fyziky pevných látok IAF

Fraunhofer IAF vyvíja elektronické komponenty a systémy založené na GaN. Obrázok ukazuje spracovanú doštičku GaN. Úver: Fraunhoferov inštitút aplikovanej fyziky pevných látok IAF

Trh s elektronikou neustále rastie, rovnako ako dopyt po stále kompaktnejších a výkonnejších výkonových elektronických systémoch. Prevažujúce elektronické komponenty na báze kremíka už nebudú v dohľadnej budúcnosti schopné vyhovieť rastúcim priemyselným požiadavkám. Preto vedci z univerzity vo Freiburgu, zo strediska udržateľnosti Freiburg a zo Fraunhofer-Gesellschaft spojili svoje sily, aby preskúmali novú materiálovú štruktúru, ktorá by mohla byť vhodnejšia pre budúcu výkonovú elektroniku.

Nedávno spustený projekt „Výskum funkčných polovodičových štruktúr pre energeticky účinnú výkonovú elektroniku“ (skrátene „Výkonová elektronika 2020+“) skúma nový polovodičový materiál, oxid hlinitý, skandium, nitrid hliníka (ScAlN). Oliver Ambacher, riaditeľ Fraunhofer IAF a profesor výkonovej elektroniky na Katedre udržateľného systémového inžinierstva (INATECH) univerzity vo Freiburgu koordinuje nadregionálnu spoluprácu.

Za silný rast trhu s elektronikou sú zodpovedné tri kľúčové faktory : automatizácia a digitalizácia priemyslu, ako aj zvýšenie povedomia o ekologickej zodpovednosti a udržateľných procesoch. Spotrebu energie je možné znížiť iba vtedy, ak sa elektronické systémy stávajú energeticky účinnejšie a efektívnejšie využívajúce zdroje súčasne s výkonnejšími.

Doteraz dominuje v elektronickom priemysle kremík. Vďaka svojej relatívne nízkej cene a takmer dokonalej kryštálovej štruktúre sa kremík stal obzvlášť úspešným polovodičovým materiálom, a to aj preto, že jeho bandgap umožňuje dobrú koncentráciu nosiča náboja a rýchlosť, ako aj dobrú dielektrickú pevnosť. Silikónová elektronika však postupne dosiahne svoj fyzický limit. Najmä s ohľadom na požadovanú hustotu a kompaktnosť výkonu sú elektronické komponenty kremíka nedostatočné.

Inovatívne zloženie materiálu pre väčšiu silu a efektívnosť

Obmedzenia technológie kremíka už boli prekonané použitím nitridu gálnatého (GaN) ako polovodiča v výkonovej elektronike. GaN má lepšie výsledky v podmienkach vysokého napätia, vysokých teplôt a rýchlych spínacích frekvencií v porovnaní s kremíkom . To ide ruka v ruke s výrazne vyššou energetickou účinnosťou - pri mnohých aplikáciách spotrebúvajúcich energiu to znamená značné zníženie spotreby energie. Fraunhofer IAF už mnoho rokov skúma GaN ako polovodičový materiál pre elektronické komponenty a systémy. Výsledky týchto výskumných prác sa už s pomocou priemyselných partnerov už komerčne využívajú. Vedci projektu „Power Electronics 2020+“ pôjdu ešte ďalej, aby sa ešte viac zvýšila energetická účinnosť a životnosť novej generácie elektronických systémov . Na tento účel sa použije iný a nový materiál: skandium nitrid hliníka (ScAlN).

Tím vedcov z Fraunhofer IAF už mnoho rokov pracuje na piezoelektrických vlastnostiach ScAlN na použitie vo vysokofrekvenčných filtroch. Obrázok ukazuje charakterizáciu takýchto zariadení na doštičke. Úver: Fraunhoferov inštitút aplikovanej fyziky pevných látok IAF

ScAlN je piezoelektrický polovodičový materiál s vysokou dielektrickou pevnosťou, ktorý je celosvetovo do značnej miery nepreskúmaný z hľadiska jeho použiteľnosti v mikroelektronických aplikáciách. „Skutočnosť, že skandium nitrid hliníka je zvlášť vhodný pre výkonné elektronické súčiastky, je vďaka svojim fyzikálnym vlastnostiam už dokázaná,“ vysvetľuje Dr.-Ing. Michael Mikulla, projektový manažér zo strany Fraunhofer IAF. Cieľom projektu je pestovať ScAlN zodpovedajúci mriežke na GaN vrstve a výsledné heteroštruktúry použiť na spracovanie tranzistorov s vysokou únosnosťou prúdu. „Funkčné polovodičové štruktúry založené na materiáloch s veľkou šírkou pásma, ako je nitrid hliníka skandia a nitridu gália, umožňujú tranzistory s veľmi vysokým napätím a prúdmi. Tieto zariadenia dosahujú vyššiu hustotu energie na povrchu čipu, ako aj vyššie spínacie rýchlosti a vyššiu prevádzku Je to synonymum nižších strát pri spínaní, vyššej energetickej účinnosti a kompaktnejších systémov, “dodáva Dr. Oliver Ambacher, riaditeľ spoločnosti Fraunhofer IAF. „Kombináciou oboch materiálov , GaN a ScAlN, chceme zdvojnásobiť maximálny možný výstupný výkon našich zariadení a súčasne výrazne znížiť energetickú náročnosť,“ hovorí Mikulla.

Priekopnícka práca v materiálovom výskume

Jednou z najväčších výziev projektu je rast kryštálov, vzhľadom na to, že pre tento materiál ešte neexistuje exsistická štruktúra ani recepty na rast ani empirické hodnoty. Projektový tím ich musí v nasledujúcich mesiacoch rozvíjať, aby dosiahol reprodukovateľné výsledky a vytvoril štruktúry vrstiev, ktoré sa dajú úspešne použiť na výkonné elektronické aplikácie.

Výskumný projekt bude prebiehať v úzkej spolupráci medzi univerzitou vo Freiburgu, Fraunhoferovým inštitútom pre aplikovanú fyziku pevných látok IAF, Centrom udržateľnosti Freiburg, ako aj Fraunhoferovou inštitúciou pre integrované systémy a technológie zariadení IISB v Erlangene, ktorá je členom vysokovýkonné centrum pre elektronické systémy v Erlangene. Táto nová forma spolupráce medzi univerzitným výskumom a vývojom zameraným na aplikácie bude slúžiť ako vzor pre budúcu projektovú spoluprácu. „Na jednej strane tento model uľahčuje spoluprácu so spoločnosťami prostredníctvom rýchleho prenosu výsledkov zo základného výskumu do vývoja orientovaného na aplikácie. Na druhej strane otvára synergie medzi dvoma technicky sa dopĺňajúcimi Fraunhoferovými centrami z dvoch rôznych regiónov, a tak zlepšuje obe ich ponuky pre potenciálnych zákazníkov polovodičového priemyslu, “hovorí prof. Ambacher.