חומר חדש לדחוף את גבולות האלקטרוניקה מבוססי סיליקון

21 ינואר 2019, מכון Fraunhofer עבור יישומי מוצק פיזיקה המדינה חיל האוויר

Fraunhofer חיל האוויר מפתחת רכיבים אלקטרוניים ומערכות המבוססות על גן. התמונה מראה פרוסות גן מעובד. קרדיט: מכון פראונהופר לפוליטיקה מוצקה של המדינה המוצקה

שוק האלקטרוניקה גדל כל הזמן וכך גם הביקוש למערכות אלקטרוניות קומפקטיות ויעילות יותר. המרכיבים האלקטרוניים השולטים על בסיס סיליקון יהיה בעתיד הנראה לעין כבר לא יוכל לענות על הדרישות התעשייתיות ההולכות וגדלות. זו הסיבה מדענים מאוניברסיטת פרייבורג, מרכז הקיימות פרייבורג ואת Fraunhofer-Gesellschaft יש כוחות כדי לחקור מבנה חומר חדש שעשוי להיות מתאים יותר האלקטרוניקה כוח בעתיד.

הפרויקט שהושק לאחרונה "מחקר של מבנים מוליכים למחצה פונקציונלי עבור אנרגיה יעילה חשמל אלקטרוניקה" (בקיצור "Power Electronics 2020 +") בוחן את החומר מוליך למחצה הרומן nitride סקנדיום אלומיניום (ScAlN). פרופ 'אוליבר אמבאכר, מנהל מכון פראונהופר, ופרופסור לאלקטרוניקה בתחום החשמל במחלקה להנדסת מערכות קיימות (INATECH) מאוניברסיטת פרייבורג, מרכז את שיתוף הפעולה על האזורי.

שלושה גורמים מרכזיים אחראים לצמיחה החזקה בשוק האלקטרוניקה : אוטומציה ודיגיטליזציה של התעשייה, כמו גם את המודעות הגוברת של אחריות אקולוגית ותהליכים ברי קיימא. ניתן להפחית את צריכת החשמל רק אם המערכות האלקטרוניות הופכות יותר אנרגיה ומשאבים יעילים באותו הזמן שבו הם הופכים להיות חזקים יותר.

עד כה, סיליקון שולט בתעשיית האלקטרוניקה. עם עלות נמוכה יחסית שלה מבנה גבישי כמעט מושלמת, סיליקון הפך חומר מוליך למחצה מוצלח במיוחד, גם בגלל bandgap שלה מאפשר גם תשלום טוב ריכוז הספק מהירות כמו גם כוח דיאלקטרי טוב. עם זאת, אלקטרוניקה סיליקון בהדרגה מגיע לגבול הפיזי שלו. במיוחד לגבי צפיפות הספק הנדרשת קומפקטיות, כוח סיליקון רכיבים אלקטרוניים אינם מספיקים.

חומר חדשני הרכב עבור יותר כוח ויעילות

המגבלות של טכנולוגיית הסיליקון כבר התגבר על ידי שימוש גליום ניטריד (גן) כמוליכים למחצה בתחום האלקטרוניקה כוח. הגן מבצע ביצועים טובים יותר בתנאי מתח גבוה , טמפרטורות גבוהות ותדרי מיתוג מהירים בהשוואה לסיליקון . זה הולך יד ביד עם יעילות אנרגיה גבוהה משמעותית - עם יישומים רבים צריכת אנרגיה, זה אומר ירידה משמעותית בצריכת האנרגיה. Fraunhofer חיל האוויר כבר בחקר גן כחומר מוליך למחצה עבור רכיבים אלקטרוניים ומערכות במשך שנים רבות. בעזרתם של שותפים תעשייתיים, התוצאות של עבודות מחקר אלה כבר בשימוש מסחרי. המדענים של הפרויקט "Power Electronics 2020 +" ילך עוד יותר על מנת לשפר את יעילות האנרגיה ואת העמידות של הדור הבא של מערכות אלקטרוניות . לשם כך, חומר חדש וחדשני ישמש: סקנדיום אלומיניום nitride (ScAlN).

צוות של חוקרים ב Fraunhofer חיל האוויר כבר עובד על המאפיינים piezoelectric של ScAlN לשימוש במסננים בתדר גבוה במשך שנים רבות. התמונה מראה את אפיון של מכשירים כאלה על רקיק. קרדיט: מכון פראונהופר לפוליטיקה מוצקה של המדינה המוצקה

ScAlN הוא חומר מוליך למחצה פיזואלקטריים עם חוזק דיאלקטרי גבוה אשר הוא במידה רבה unexplored ברחבי העולם לגבי השימושיות שלה ביישומים microelectronic. "העובדה כי nitride סקנדיום אלומיניום מתאים במיוחד עבור רכיבים אלקטרוניים כוח, בשל תכונותיו הפיזיות, כבר הוכח", מסביר ד"ר אינג. מייקל מיקולה, מנהל הפרויקט של חיל האוויר פראונהופר. מטרת הפרוייקט היא לגדל Scaln בהתאמה של סריג על שכבת גן ולהשתמש heterostructures וכתוצאה מכך עיבוד טרנזיסטורים עם יכולת נשיאה הנוכחי גבוהה. "מבנים מוליכים למחצה פונקציונליים המבוססים על חומרים עם bandgap גדול, כגון nitride סקנדיום אלומיניום גליום ניטריד, לאפשר טרנזיסטורים עם מתח גבוה מאוד זרמים.התקנים האלה מגיעים לצפיפות הספק גבוהה לכל משטח השבב, כמו גם מהירויות מיתוג גבוהות יותר ההפעלה טמפרטורות ", אומר פרופ 'אוליבר אמבאכר, מנהל חיל האוויר של פראונהופר. "על ידי שילוב של שני החומרים , גן ו ScAlN, אנחנו רוצים להכפיל את כוח המוצא המרבי האפשרי של המכשירים שלנו, ובמקביל להוריד באופן משמעותי את הביקוש לאנרגיה", אומר מיקולה.

עבודה חלוצית בחקר חומרים

אחד האתגרים הגדולים ביותר של הפרויקט הוא צמיחה גביש, בהתחשב בכך מבנה existist לא מתכונים הצמיחה ולא ערכים אמפיריים עבור חומר זה, עדיין. צוות הפרויקט צריך לפתח את אלה במהלך החודשים הבאים על מנת להגיע לתוצאות לשחזור לייצר מבנים שכבת כי יכול לשמש בהצלחה עבור יישומים אלקטרוניים כוח .

פרויקט המחקר יתבצע בשיתוף פעולה הדוק בין האוניברסיטה של פרייבורג, מכון פראונהופר לפוליטיקה מוצקה של מדינת מוצק פיזיקה, מרכז הקיימות Freiburg וכן את Fraunhofer Institure עבור מערכות משולבות טכנולוגיה התקן IISB ב Erlangen, אשר חבר של מרכז ביצועים גבוהים עבור מערכות אלקטרוניות ב Erlangen. צורה חדשה זו של שיתוף פעולה בין מחקר אוניברסיטאי לבין פיתוח יישומי תשמש מודל לחיקוי שיתוף פעולה עתידי בפרויקט. "מחד גיסא, מודל זה מאפשר את שיתוף הפעולה עם החברות באמצעות העברה מהירה של תוצאות ממחקר בסיסי לפיתוח מונחה יישומים, ומאידך, הוא פותח סינרגיות בין שני מרכזי פראונהופר המשלימים מבחינה טכנית משני אזורים שונים ומשתפר כך הן את הצעותיהם ללקוחות הפוטנציאליים של תעשיית המוליכים למחצה ", אומר פרופ 'אמבכר.