مواد جدید برای فشار دادن مرزهای الکترونیک مبتنی بر سیلیکون

21 ژانویه 2019 مؤسسه Fraunhofer برای فیزیک حالت جامد IAF

Fraunhofer IAF قطعات و سیستم های الکترونیکی مبتنی بر GaN را توسعه می دهد. تصویر Gaff wafer پردازش را نشان می دهد. اعتبار: موسسه Fraunhofer برای فیزیک جامدات کاربردی IAF

بازار الکترونیک به طور مداوم در حال رشد است و تقاضا برای سیستم های الکترونیکی برق به طور فزاینده و کارآمد نیز مورد نیاز است. اجزای الکترونیکی غالب بر پایه سیلیکون در آینده قابل پیش بینی دیگر قادر به برآورده ساختن نیازهای صنعتی نیست. به همین دلیل دانشمندان دانشگاه فرایبورگ، مرکز توسعه پایدار فرایبورگ و Fraunhofer-Gesellschaft به منظور کشف ساختار جدید مواد، که ممکن است برای الکترونیک قدرت آینده مناسب باشند، به نیروها پیوستند.

پروژه اخیرا "تحقیق ساختارهای نیمه هادی کاربردی برای الکترونیک نیروی کارآمد انرژی" (به اختصار "Power Electronics 2020+") پژوهش جدید نیترید آلومینیوم اسکاندیم مواد نیمه رسانا (ScAlN) را بررسی می کند. پروفسور دکتر اولیور امباخر، مدیر فائو Fraunhofer IAF و استاد برق الکترونیک در دانشکده مهندسی سیستم های پایدار (INATECH) دانشگاه فرایبورگ، هماهنگی همکاری منطقه ای را تشکیل می دهد.

سه عامل کلیدی برای رشد قوی بازار الکترونیک هستند : اتوماسیون و دیجیتالی کردن صنعت و همچنین افزایش آگاهی مسئولیت های زیست محیطی و فرایندهای پایدار. مصرف انرژی تنها می تواند کاهش یابد، در صورتی که سیستم های الکترونیکی بیشتر انرژی و بهره وری منابع را همزمان افزایش می دهند.

تا به امروز، سیلیکون در صنایع الکترونیک غالب است. با هزینه نسبی کم و ساختار کریستالی تقریبا کامل، سیلیکون تبدیل به یک ماده نیمه رسانای بسیار موفق شده شده است، همچنین به دلیل اینکه نوار باند آن برای هر دو غلظت و سرعت حامل بار خوب و همچنین قدرت دی الکتریک خوب است. با این حال، الکترونیک سیلیکون به تدریج به حد فیزیکی خود می رسد. به خصوص با توجه به چگالی قدرت مورد نیاز و فشردگی، قطعات الکترونیکی سیلیکونی قدرت کافی ندارند.

ترکیب نوآورانه مواد برای قدرت و کارایی بیشتر

محدودیت های تکنولوژی سیلیکون با استفاده از نیترید گالیم (GaN) به عنوان یک نیمه هادی در الکترونیک قدرت غلبه کرده است. GaN در شرایط ولتاژ بالا ، درجه حرارت بالا و فرکانس سوئیچینگ سریع نسبت به سیلیکون بهتر عمل می کند . این کار با دستیابی به کارایی انرژی قابل ملاحظه ای بیشتر است - با استفاده از برنامه های مصرف انرژی زیاد، این به معنی کاهش قابل توجهی در مصرف انرژی است. Fraunhofer IAF برای چندین سال به بررسی مواد GaN به عنوان مواد نیمه هادی برای اجزای سازنده و سیستم های الکترونیکی پرداخته است. با کمک شرکای صنعتی، نتایج این تحقیق در حال حاضر به استفاده تجاری تبدیل شده است. دانشمندان پروژه Power Electronics 2020+ حتی بیشتر به منظور افزایش بهره وری انرژی و دوام نسل بعدی سیستم های الکترونیکی ادامه خواهند داد. برای این منظور از مواد مختلف و جدید استفاده می شود: نیترید آلومینیوم اسکاندیم (ScAlN).

یک تیم از محققان در Fraunhofer IAF در حال کار بر روی خواص پیزوالکتریک ScAlN برای استفاده در فیلترهای با فرکانس بالا برای سال ها است. تصویر نشان دهنده مشخص کردن چنین دستگاه هایی روی ویفر است. اعتبار: موسسه Fraunhofer برای فیزیک جامدات کاربردی IAF

ScAlN یک ماده نیمه هادی پیزوالکتریک با قدرت دی الکتریک بالا است که به طور گسترده در سراسر جهان با توجه به کاربردهای آن در کاربردهای میکرو الکترونیک مورد بررسی قرار نگرفته است. "این واقعیت است که نیترید آلومینیوم اسکاندیم به خصوص برای اجزای الکترونیکی قدرتمند به علت خواص فیزیکی آن، به اثبات رسیده است"، Dr.-Ing توضیح می دهد. مایکل Mikulla، مدیر پروژه در Fraunhofer IAF. هدف از این پروژه افزایش ScAlN با همتای شبکه بر روی یک لایه GaN و استفاده از نانوساختارهای حاصل برای پردازش ترانزیستورهای با ظرفیت بالای جریان است. ساختارهای نیمه هادی کاربردی براساس مواد با یک نوار بزرگتر مانند نیترید آلومینیوم اسکاندیم و نیترید گالیم اجازه می دهند که ترانزیستورهای با ولتاژ و جریان بسیار بالا داشته باشند.این دستگاه ها به یک چیپ با قدرت بالاتر و همچنین سرعت سوئیچینگ بالاتر و کارایی بالاتر پروفسور دکتر اولیور امبچر، مدیر Fraunhofer IAF می افزاید: این به معنی کاهش تلفات سوئیچینگ، افزایش بهره وری انرژی و سیستم های جمع و جور تر است. "با ترکیب هر دو مواد ، GaN و ScAlN، ما می خواهیم دو برابر حداکثر توان خروجی دستگاه های ما در حالی که در عین حال به طور قابل توجهی کاهش تقاضای انرژی،" Mikulla می گوید.

کار پیشگام در تحقیقات مواد

یکی از بزرگترین چالش های پروژه، رشد بلوری است، با توجه به اینکه ساختار پیش بینی نشده نه دستورالعمل های رشد و نه ارزش های تجربی برای این ماده است. تیم پروژه باید طی ماه های آینده به منظور دستیابی به نتایج قابل بازیابی و تولید ساختارهای لایه ای که می تواند با موفقیت برای کاربردهای الکترونیکی برق مورد استفاده قرار گیرد، توسعه یابد.

این پروژه تحقیقاتی در همکاری نزدیک بین دانشگاه فریبورگ، موسسه Fraunhofer برای فیزیک جامدۀ کاربردی IAF، مرکز پایداری فرایبورگ و همچنین فریون هوفر برای سیستم های مجتمع و فناوری دستگاه های IISB در ارلانگن که عضو آن مرکز عملکرد بالا برای سیستم های الکترونیکی در ارلانگن. این شکل جدید همکاری بین تحقیقات دانشگاهی و توسعه برنامه کاربردی به عنوان یک الگوی نمونه برای همکاری پروژه های آینده می باشد. از سوی دیگر، این مدل، همکاری با شرکت ها را از طریق انتقال سریع نتایج از تحقیقات اولیه به توسعه برنامه های کاربردی، تسهیل می کند. از سوی دیگر، همکاری بین دو مرکز تکنولوژی فرن هوفر از دو منطقه مختلف را بهبود می بخشد هر دو پیشنهاد خود را برای مشتریان بالقوه صنعت نیمه هادی، می گوید: "پروفسور Ambacher.