Nyt materiale til at skubbe grænserne for siliciumbaseret elektronik

21. januar 2019, Fraunhofer Institut for Anvendt Solid State Physics IAF

Fraunhofer IAF udvikler elektroniske komponenter og systemer baseret på GaN. Billedet viser en forarbejdet GaN wafer. Kredit: Fraunhofer Institut for Anvendt Solid State Physics IAF

Elektronikmarkedet vokser konstant, og det er efterspørgslen efter stadig mere kompakte og effektive elektroniske systemer. De overvejende elektroniske komponenter baseret på silicium vil i overskuelig fremtid ikke længere kunne imødekomme de stigende industrielle krav. Derfor er forskere fra universitetet i Freiburg, Sustainability Center Freiburg og Fraunhofer-Gesellschaft sammenføjet for at udforske en ny materialestruktur, som kan være bedre egnet til fremtidens strømelektronik.

Det nyligt lancerede projekt "Research of Functional Semiconductor Structures for Energy Efficient Power Electronics" (kort "Power Electronics 2020+") undersøger det nye halvledermateriale scandium aluminium nitrid (ScAlN). Prof. Dr. Oliver Ambacher, direktør for Fraunhofer IAF og professor i magtelektronik ved Institut for Bæredygtig Systemteknik (INATECH) fra universitetet i Freiburg koordinerer det supraregionale samarbejde.

Tre nøglefaktorer er ansvarlige for den stærke vækst på elektronikmarkedet : automation og digitalisering af industrien samt øget bevidsthed om økologisk ansvar og bæredygtige processer. Strømforbrug kan kun sænkes, hvis elektroniske systemer bliver mere energieffektive og ressourceeffektive, samtidig med at de bliver stærkere.

Op til dato dominerer silicium elektronikindustrien. Med sin relative lave omkostninger og en næsten perfekt krystalstruktur er silicium blevet et særdeles vellykket halvledermateriale, også fordi dets bandgap tillader både en god ladningsbærerkoncentration og -hastighed samt en god dielektrisk styrke. Imidlertid når siliciumelektronik gradvist sin fysiske grænse. Især med hensyn til den krævede strømtæthed og kompaktitet er silicium-effekt elektroniske komponenter utilstrækkelige.

Innovativ materialesammensætning for mere strøm og effektivitet

Begrænsningerne af siliciumteknologi er allerede overvundet ved brug af galliumnitrid (GaN) som halvleder i kraftelektronik. GaN fungerer bedre under forhold med højspænding, høje temperaturer og hurtige omstillingsfrekvenser i forhold til silicium . Dette går hånd i hånd med betydeligt højere energieffektivitet - med mange energiforbrugende applikationer betyder det en betydelig reduktion i energiforbruget. Fraunhofer IAF har i mange år forsket GaN som et halvledermateriale til elektroniske komponenter og systemer. Med hjælp fra industrielle partnere er resultaterne af dette forskningsarbejde allerede brugt til kommerciel brug. Forskerne fra projektet "Power Electronics 2020+" vil gå endnu længere for at forbedre energieffektiviteten og holdbarheden af den næste generation af elektroniske systemer endnu en gang . Til dette formål anvendes et andet og nyt materiale: scandiumaluminiumnitrid (ScAlN).

Et team af forskere hos Fraunhofer IAF har arbejdet på ScAlNs piezoelektriske egenskaber til brug i højfrekvente filtre i mange år. Billedet viser karakteriseringen af sådanne enheder på en wafer. Kredit: Fraunhofer Institut for Anvendt Solid State Physics IAF

ScAlN er et piezoelektrisk halvledermateriale med en høj dielektrisk styrke, som i vid udstrækning er uudforsket over hele verden med hensyn til dets anvendelighed i mikroelektroniske applikationer. "Det faktum, at scandiumaluminiumnitrid er særligt velegnet til elektriske elektroniske komponenter på grund af dets fysiske egenskaber, er allerede bevist," forklarer Dr.-Ing. Michael Mikulla, projektleder fra Fraunhofer IAF. Formålet med projektet er at vokse gitter-matchet ScAlN på et GaN-lag og at anvende de resulterende heterostrukturer til at behandle transistorer med høj nuværende bæreevne. "Funktionelle halvlederkonstruktioner baseret på materialer med et stort bandgap, såsom scandiumaluminiumnitrid og galliumnitrid, giver mulighed for transistorer med meget høje spændinger og strømme. Disse enheder når en højere effekttæthed pr. Chipoverflade samt højere omdrejningshastigheder og højere drift temperaturer. Dette er synonymt med lavere koblingstab, højere energieffektivitet og mere kompakte systemer, "tilføjer professor Dr. Oliver Ambacher, direktør for Fraunhofer IAF. "Ved at kombinere begge materialer , GaN og ScAlN, ønsker vi at fordoble den maksimale mulige udgangseffekt af vores enheder, samtidig med at energiforbruget sænkes betydeligt," siger Mikulla.

Banebrydende arbejde inden for materialerforskning

En af projektets største udfordringer er krystalvækst, idet der ikke findes strukturer hverken vækstopskrifter eller empiriske værdier for dette materiale. Projektteamet skal udvikle disse i de kommende måneder for at nå reproducerbare resultater og til at producere lagstrukturer, der med succes kan bruges til strømelektroniske applikationer.

Forskningsprojektet gennemføres i tæt samarbejde mellem universitetet i Freiburg, Fraunhofer Institut for Anvendt Solid State Physics IAF, Sustainability Center Freiburg samt Fraunhofer Institure for Integrated Systems and Device Technology IISB i Erlangen, som er medlem af High Performance Center for Elektroniske Systemer i Erlangen. Denne nye form for samarbejde mellem universitetsforskning og applikationsorienteret udvikling skal fungere som en rollemodel for fremtidigt projektsamarbejde. "På den ene side letter denne model samarbejdet med virksomheder gennem hurtig overførsel af resultater fra grundforskning til applikationsorienteret udvikling. På den anden side åbner det synergier mellem to teknisk komplementære Fraunhofer Centers fra to forskellige regioner og forbedrer dermed både deres tilbud til potentielle kunder i halvlederindustrien, "siger prof. Ambacher.