Silikonlu elektronik aksamın sınırlarını zorlayan yeni malzeme

21 Ocak 2019, Fraunhofer Uygulamalı Katıhal Fiziği Enstitüsü IAF

Fraunhofer IAF, GaN'a dayalı elektronik bileşenler ve sistemler geliştirir. Resimde işlenmiş bir GaN gofret gösterilmektedir. Kredi: Fraunhofer Uygulamalı Katıhal Fiziği Enstitüsü IAF

Elektronik pazarı sürekli büyüyor ve gittikçe kompakt ve verimli elektrikli elektronik sistemlere olan talep de artıyor. Silisyuma dayanan baskın elektronik bileşenler öngörülebilir gelecekte artık artan sanayi gereksinimlerini karşılayamayacak. Bu nedenle Freiburg Üniversitesi, Sürdürülebilirlik Merkezi Freiburg ve Fraunhofer-Gesellschaft'tan bilim adamları gelecekteki güç elektroniği için daha uygun olabilecek yeni bir malzeme yapısını keşfetmek için güçlerini birleştirdiler.

Yeni başlatılan "Enerji Verimli Güç Elektroniği için Fonksiyonel Yarı İletken Yapılarının Araştırılması" (kısaca "Power Electronics 2020+") projesi yeni yarı iletken malzeme skandiyum alüminyum nitrürü (ScAlN) araştırıyor. Freunurg'un Fraunhofer IAF direktörü ve Freiburg Üniversitesi Sürdürülebilir Sistemler Mühendisliği Bölümünde (INATECH) güç elektroniği profesörü Prof. Dr. Oliver Ambacher bölge dışı işbirliğini koordine ediyor.

Elektronik pazarının güçlü büyümesinden üç temel faktör sorumludur : endüstrinin otomasyonu ve dijitalleşmesinin yanı sıra ekolojik sorumluluk ve sürdürülebilir süreçler konusundaki artan farkındalık. Güç tüketimi ancak elektronik sistemler daha fazla enerji harcadığında ve kaynak daha verimli hale geldiğinde daha verimli hale gelirse azaltılabilir.

Bugüne kadar silikon elektronik endüstrisine hâkim. Göreceli olarak düşük maliyeti ve neredeyse mükemmel bir kristal yapısı ile silikon, özellikle başarılı bir yarı iletken malzeme haline gelmiştir, çünkü bant aralığı hem iyi bir yük taşıyıcı konsantrasyonuna hem de hıza ve ayrıca iyi bir dielektrik mukavemete izin vermektedir. Ancak, silikon elektroniği yavaş yavaş fiziksel sınırına ulaşır. Özellikle gerekli güç yoğunluğu ve kompakt olması bakımından, silikon güçte elektronik bileşenler yetersizdir.

Daha Fazla Güç ve Verimlilik İçin Yenilikçi Malzeme Kompozisyonu

Silikon teknolojisinin sınırlamaları, güç elektroniğinde yarı iletken olarak galyum nitrür (GaN) kullanımıyla zaten aşılmıştır. GaN, yüksek voltaj, yüksek sıcaklık ve silikon ile karşılaştırıldığında hızlı anahtarlama frekansları koşullarında daha iyi performans gösterir . Bu, önemli ölçüde daha yüksek enerji verimliliği ile el ele gider - sayısız enerji harcayan uygulamalarla, bu enerji tüketiminde önemli bir azalma anlamına gelir. Fraunhofer IAF, GaN'ı uzun yıllardır elektronik bileşenler ve sistemler için yarı iletken bir malzeme olarak araştırmaktadır. Endüstriyel ortakların yardımıyla, bu araştırma çalışmalarının sonuçları zaten ticari kullanıma sunuldu. "Power Electronics 2020+" projesinin bilim adamları, gelecek nesil elektronik sistemlerin enerji verimliliğini ve dayanıklılığını bir kez daha artırmak için daha da ileri gidecek . Bu amaçla, farklı ve yeni bir malzeme kullanılacaktır: skandiyum alüminyum nitrür (ScAlN).

Fraunhofer IAF’da bir araştırma ekibi, uzun yıllardır yüksek frekanslı filtrelerde kullanılmak üzere ScAlN'in piezoelektrik özellikleri üzerinde çalışıyor. Resim, bu tür cihazların bir gofret üzerindeki karakterizasyonunu göstermektedir. Kredi: Fraunhofer Uygulamalı Katıhal Fiziği Enstitüsü IAF

ScAlN, mikroelektronik uygulamalarda kullanılabilirliği bakımından dünya çapında büyük ölçüde keşfedilmemiş, yüksek dielektrik dayanımlı bir piezoelektrik yarı iletken malzemedir. Dr.-Ing. “Skandiyum alüminyum nitrürün, özellikle fiziksel özelliklerinden dolayı güç elektroniği bileşenleri için çok uygun olduğu zaten kanıtlanmış oldu. Michael Mikulla, Fraunhofer IAF adına proje yöneticisi. Projenin amacı, bir GaN katmanı üzerinde kafesle eşleştirilen ScAlN'yi büyütmek ve ortaya çıkan heterosiktürleri, yüksek akım taşıma kapasitesine sahip transistörleri işlemekte kullanmaktır. "Skandiyum alüminyum nitrür ve galyum nitrür gibi geniş bant aralığı olan malzemelere dayanan fonksiyonel yarı iletken yapılar, çok yüksek voltaj ve akımlara sahip transistörlere izin verir. Bu, düşük anahtarlama kayıpları, daha yüksek enerji verimliliği ve daha kompakt sistemler ile eşanlamlıdır ”diye ekliyor Fraunhofer IAF direktörü Prof. Dr. Oliver Ambacher. Mikulla, "Her iki malzemeyi , GaN ve ScAlN'i birleştirerek , cihazlarımızın mümkün olan maksimum çıkış gücünü iki katına çıkarırken aynı zamanda enerji talebini önemli ölçüde düşürmek istiyoruz" diyor.

Malzeme Araştırmalarında Öncü Çalışma

Projenin en büyük zorluklarından biri, henüz büyüme tarifleri ve bu materyal için ampirik değerler bulunmadığına göre kristal büyümesidir. Proje ekibinin, gelecek aylarda tekrarlanabilir sonuçlara ulaşmak ve güç elektroniği uygulamaları için başarıyla kullanılabilecek katman yapıları üretmek için bunları geliştirmesi gerekiyor .

Araştırma projesi Freiburg üniversitesi, Fraunhofer Uygulamalı Katı Hal Fiziği Enstitüsü IAF, Sürdürülebilirlik Merkezi Freiburg ve Erlangen’de bulunan Erlangen’de bulunan Entegre Sistemler ve Cihaz Teknolojisi Enstitüsü Fraunhofer Enstitüsü arasında yakın işbirliği içerisinde yürütülecektir. Erlangen'de Yüksek Performanslı Elektronik Sistemler Merkezi. Üniversite araştırması ve uygulamaya yönelik gelişim arasındaki bu yeni işbirliği biçimi, gelecekteki proje işbirliğinde rol model olarak görev yapacaktır. “Bir yandan, bu model, temel araştırmalardan uygulamaya yönelik kalkınmaya sonuçların derhal aktarılmasıyla şirketlerle işbirliğini kolaylaştırıyor. Öte yandan, iki farklı bölgeden teknik olarak tamamlayıcı iki Fraunhofer Merkezi arasında sinerji yaratıyor ve böylece geliştiriyor Hem yarı iletken endüstrisinin potansiyel müşterileri için sundukları teklifler ”diyor Prof. Ambacher.