Elektronikmarknaden växer ständigt och likaså efterfrågan på allt mer kompakta och effektiva kraftelektroniksystem. De dominerande elektroniska komponenterna baserade på kisel kommer inom överskådlig framtid inte längre att kunna möta de ökande industriella kraven. Det är därför forskare från universitetet i Freiburg, hållbarhetscentret 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 om det nya halvledarmaterialet scandiumaluminiumnitrid (ScAlN). Prof. Dr. Oliver Ambacher, direktör för Fraunhofer IAF och professor i kraftelektronik vid Institutionen för hållbara systemteknik (INATECH) vid universitetet i Freiburg, samordnar det överregionala samarbetet.

Tre nyckelfaktorer är ansvariga för den starka tillväxten av elektronikmarknaden:automatiseringen och digitaliseringen av industrin samt den ökande medvetenheten om ekologiskt ansvar och hållbara processer. Strömförbrukningen kan bara sänkas om elektroniska system blir mer energi- och resurseffektiva samtidigt som de blir kraftfullare.

Aktuell, kisel dominerar elektronikindustrin. Med sin relativt låga kostnad och en nästan perfekt kristallstruktur, kisel har blivit ett särskilt framgångsrikt halvledarmaterial, också för att dess bandgap möjliggör både en bra laddningsbärarkoncentration och -hastighet samt en god dielektrisk styrka. Dock, kiselelektronik når gradvis sin fysiska gräns. Speciellt med hänsyn till den erforderliga effekttätheten och kompaktheten, kiselkraft elektroniska komponenter är otillräckliga.

Innovativ materialsammansättning för mer kraft och effektivitet

Kiselteknologins begränsningar har redan övervunnits genom användningen av galliumnitrid (GaN) som en halvledare i kraftelektronik. GaN presterar bättre under förhållanden med höga spänningar, höga temperaturer och snabba växlingsfrekvenser jämfört med kisel. Detta går hand i hand med betydligt högre energieffektivitet – med många energikrävande tillämpningar, detta innebär 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 industriella partners, resultaten av detta forskningsarbete har redan kommit till kommersiell användning. Forskarna i projektet "Power Electronics 2020+" kommer att gå ännu längre för att återigen förbättra energieffektiviteten och hållbarheten för nästa generations elektroniska system. För det här syftet, ett annat och nytt material kommer att användas:skandiumaluminiumnitrid (ScAlN).

ScAlN är ett piezoelektriskt halvledarmaterial med hög dielektrisk hållfasthet som till stor del är outforskat över hela världen med avseende på dess användbarhet i mikroelektroniska applikationer. "Det faktum att scandiumaluminiumnitrid är särskilt väl lämpad för kraftelektronikkomponenter, på grund av dess fysikaliska egenskaper, har redan bevisats, " förklarar Dr.-Ing. Michael Mikulla, projektledare från Fraunhofer IAF. Målet med projektet är att odla gittermatchat ScAlN på ett GaN-lager och att använda de resulterande heterostrukturerna för att bearbeta transistorer med hög strömkapacitet. "Funktionella halvledarstrukturer baserade på material med stort bandgap, som skandiumaluminiumnitrid och galliumnitrid, tillåter transistorer med mycket höga spänningar och strömmar. Dessa enheter når en högre effekttäthet per chipyta samt högre omkopplingshastigheter och högre driftstemperaturer. Detta är synonymt med lägre kopplingsförluster, högre energieffektivitet och mer kompakta system, " tillägger Prof. Dr. Oliver Ambacher, direktör för Fraunhofer IAF. "Genom att kombinera båda materialen, GaN och ScAlN, vi vill fördubbla den maximala möjliga uteffekten från våra enheter samtidigt som vi avsevärt sänker energibehovet, säger Mikulla.

Banbrytande arbete inom materialforskning

En av de största utmaningarna med projektet är kristalltillväxt, med tanke på att det finns struktur varken tillväxtrecept eller empiriska värden för detta material, än. Projektgruppen behöver utveckla dessa under de kommande månaderna för att nå reproducerbara resultat och för att producera lagerstrukturer som framgångsrikt kan användas för kraftelektroniktillämpningar.

Forskningsprojektet kommer att genomföras i nära samarbete mellan universitetet i Freiburg, Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF, Sustainability Centre Freiburg samt Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology IISB i Erlangen, som är medlem i High-Performance Center for Electronic Systems i Erlangen. Denna nya form av samverkan mellan universitetsforskning och tillämpningsinriktad utveckling ska fungera som en förebild för framtida projektsamarbete. "Å ena sidan, denna modell underlättar samarbetet med företag genom snabb överföring av resultat från grundforskning till applikationsinriktad utveckling. Å andra sidan, det öppnar för synergier mellan två tekniskt kompletterande Fraunhofer Centers från två olika regioner och förbättrar därmed båda deras erbjudanden för potentiella kunder inom halvledarindustrin, säger Prof. Ambacher.