De elektronicamarkt groeit voortdurend en daarmee ook de vraag naar steeds compactere en efficiëntere vermogenselektronica. De overheersende elektronische componenten op basis van silicium zullen binnen afzienbare tijd niet meer kunnen voldoen aan de toenemende industriële eisen. Dit is de reden waarom wetenschappers van de universiteit van Freiburg, het Sustainability Center Freiburg en de Fraunhofer-Gesellschaft hebben hun krachten gebundeld om een ​​nieuwe materiaalstructuur te onderzoeken die mogelijk beter geschikt is voor toekomstige vermogenselektronica.

Het onlangs gelanceerde project "Research of Functional Semiconductor Structures for Energy Efficient Power Electronics" (kortweg "Power Electronics 2020+") onderzoekt het nieuwe halfgeleidermateriaal scandiumaluminiumnitride (ScAlN). Prof. Dr. Oliver Ambacher, directeur van Fraunhofer IAF en hoogleraar vermogenselektronica aan de afdeling Sustainable Systems Engineering (INATECH) van de universiteit van Freiburg, coördineert de bovenregionale samenwerking.

Drie sleutelfactoren zijn verantwoordelijk voor de sterke groei van de elektronicamarkt:de automatisering en digitalisering van de industrie en het toenemende bewustzijn van ecologische verantwoordelijkheid en duurzame processen. Het stroomverbruik kan alleen worden verlaagd als elektronische systemen energie- en hulpbronnenefficiënter worden en tegelijkertijd krachtiger worden.

Actueel, silicium domineert de elektronica-industrie. Met zijn relatief lage kosten en een bijna perfecte kristalstructuur, silicium is een bijzonder succesvol halfgeleidermateriaal geworden, ook omdat de bandgap zowel een goede ladingsdragerconcentratie en -snelheid als een goede diëlektrische sterkte mogelijk maakt. Echter, siliciumelektronica bereikt geleidelijk aan zijn fysieke limiet. Vooral met betrekking tot de vereiste vermogensdichtheid en compactheid, elektronische componenten van het siliciumvermogen zijn onvoldoende.

Innovatieve materiaalsamenstelling voor meer kracht en efficiëntie

De beperkingen van de siliciumtechnologie zijn al overwonnen door het gebruik van galliumnitride (GaN) als halfgeleider in vermogenselektronica. GaN presteert beter onder hoge spanningen, hoge temperaturen en snelle schakelfrequenties in vergelijking met silicium. Dit gaat hand in hand met een aanzienlijk hogere energie-efficiëntie - met tal van energieverbruikende toepassingen, dit betekent een aanzienlijke vermindering van het energieverbruik. Fraunhofer IAF doet al jaren onderzoek naar GaN als halfgeleidermateriaal voor elektronische componenten en systemen. Met de hulp van industriële partners, de resultaten van dit onderzoekswerk zijn al commercieel gebruikt. De wetenschappers van het project "Power Electronics 2020+" gaan nog verder om de energie-efficiëntie en duurzaamheid van de volgende generatie elektronische systemen opnieuw te verbeteren. Voor dit doeleinde, er zal een ander en nieuw materiaal worden gebruikt:scandiumaluminiumnitride (ScAlN).

ScAlN is een piëzo-elektrisch halfgeleidermateriaal met een hoge diëlektrische sterkte dat wereldwijd grotendeels onontgonnen is met betrekking tot zijn bruikbaarheid in micro-elektronische toepassingen. "Het feit dat scandium-aluminiumnitride bijzonder geschikt is voor vermogenselektronische componenten, vanwege zijn fysieke eigenschappen, is al bewezen, " legt Dr.-Ing. Michael Mikulla uit, projectmanager van Fraunhofer IAF. Het doel van het project is om rooster-gematchte ScAlN op een GaN-laag te laten groeien en de resulterende heterostructuren te gebruiken om transistors met een hoge stroomcapaciteit te verwerken. "Functionele halfgeleiderstructuren op basis van materialen met een grote bandgap, zoals scandiumaluminiumnitride en galliumnitride, zorgen voor transistoren met zeer hoge spanningen en stromen. Deze apparaten bereiken een hogere vermogensdichtheid per chipoppervlak, evenals hogere schakelsnelheden en hogere bedrijfstemperaturen. Dit staat synoniem voor lagere schakelverliezen, hogere energie-efficiëntie en compactere systemen, " voegt prof. dr. Oliver Ambacher toe, directeur van Fraunhofer IAF. "Door beide materialen te combineren, GaN en ScAlN, we willen het maximaal mogelijke uitgangsvermogen van onze apparaten verdubbelen en tegelijkertijd de energievraag aanzienlijk verlagen, ' zegt Mikulla.

Baanbrekend werk in materiaalonderzoek

Een van de grootste uitdagingen van het project is kristalgroei, overwegende dat er structuur noch groeirecepten noch empirische waarden voor dit materiaal bestaan, nog. Het projectteam moet deze de komende maanden ontwikkelen om reproduceerbare resultaten te bereiken en om laagstructuren te produceren die met succes kunnen worden gebruikt voor vermogenselektronische toepassingen.

Het onderzoeksproject zal worden uitgevoerd in nauwe samenwerking tussen de universiteit van Freiburg, het Fraunhofer Instituut voor Toegepaste Vaste-stoffysica IAF, het Sustainability Center Freiburg en het Fraunhofer Institure for Integrated Systems and Device Technology IISB in Erlangen, die lid is van het High-Performance Center for Electronic Systems in Erlangen. Deze nieuwe vorm van samenwerking tussen universitair onderzoek en toepassingsgerichte ontwikkeling zal als rolmodel dienen voor toekomstige projectsamenwerking. "Aan de ene kant, dit model faciliteert de samenwerking met bedrijven door de snelle overdracht van resultaten van fundamenteel onderzoek naar toepassingsgerichte ontwikkeling. Anderzijds, het opent synergieën tussen twee technisch complementaire Fraunhofer-centra uit twee verschillende regio's en verbetert zo zowel hun aanbod voor potentiële klanten van de halfgeleiderindustrie, " zegt prof. Ambacher.