วัสดุใหม่เพื่อผลักดันขอบเขตของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิกอน

21 มกราคม 2562 สถาบัน Fraunhofer สำหรับฟิสิกส์สถานะของแข็งประยุกต์ IAF

Fraunhofer IAF พัฒนาชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และระบบที่อิงกับ GaN ภาพแสดงเวเฟอร์ GaN ที่ประมวลผลแล้ว เครดิต: สถาบัน Fraunhofer สำหรับฟิสิกส์สถานะของแข็งประยุกต์ IAF

ตลาดอิเล็กทรอนิกส์มีการเติบโตอย่างต่อเนื่องและเป็นความต้องการสำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์พลังงานขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพมากขึ้น ส่วนประกอบทางอิเล็กทรอนิกส์ที่โดดเด่นที่ใช้ซิลิกอนในอนาคตอันใกล้นี้จะไม่สามารถตอบสนองความต้องการทางอุตสาหกรรมที่เพิ่มขึ้นได้อีกต่อไป นี่คือเหตุผลที่นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยไฟรบูร์กศูนย์การพัฒนาอย่างยั่งยืนไฟรบูร์กและ Fraunhofer-Gesellschaft ได้ร่วมมือกันเพื่อสำรวจโครงสร้างวัสดุใหม่ที่อาจจะเหมาะสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้าในอนาคต

โครงการที่เพิ่งเปิดตัวเมื่อเร็ว ๆ นี้ "การวิจัยโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์การทำงานสำหรับพลังงานไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพพลังงาน" (ในระยะสั้น "เพาเวอร์อิเล็กทรอนิคส์ 2020+") วิจัยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์นวนิยาย scandium Aluminium nitride (ScAlN) ศาสตราจารย์ดร. โอลิเวอร์อัมบัคเกอร์ผู้อำนวยการของ Fraunhofer IAF และศาสตราจารย์วิชาอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ภาควิชาวิศวกรรมระบบที่ยั่งยืน (INATECH) ของมหาวิทยาลัยไฟรบูร์กประสานงานการทำงานร่วมกันในระดับภูมิภาค

ปัจจัยสำคัญสามประการที่รับผิดชอบการเติบโตที่แข็งแกร่งของ ตลาดอิเล็กทรอนิกส์ : ระบบอัตโนมัติและการทำให้เป็นดิจิตอลของอุตสาหกรรมรวมถึงการเพิ่มความตระหนักถึงความรับผิดชอบต่อระบบนิเวศและกระบวนการที่ยั่งยืน การใช้พลังงานสามารถลดลงได้ก็ต่อเมื่อระบบอิเล็กทรอนิกส์มีการใช้พลังงานและทรัพยากรอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นในเวลาเดียวกันกับที่พวกเขามีประสิทธิภาพมากขึ้น

ปัจจุบันซิลิคอนเป็นผู้นำในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ ด้วยต้นทุนที่ค่อนข้างต่ำและโครงสร้างผลึกที่สมบูรณ์แบบซิลิคอนจึงกลายเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ประสบความสำเร็จโดยเฉพาะเนื่องจาก bandgap ช่วยให้ทั้งผู้ให้บริการที่มีความเข้มข้นและความเร็วที่ดีรวมถึงความเป็น ฉนวนที่ดี อย่างไรก็ตามซิลิคอนอิเล็คทรอนิคส์ค่อยๆถึงขีด จำกัด ทางกายภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับความหนาแน่นของพลังงานที่ต้องการและความกะทัดรัดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์กำลังซิลิคอนไม่เพียงพอ

องค์ประกอบวัสดุที่เป็นนวัตกรรมใหม่เพื่อพลังงานและประสิทธิภาพที่มากขึ้น

ข้อ จำกัด ของเทคโนโลยีซิลิคอนได้ถูกเอาชนะไปแล้วโดยการใช้แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) เป็นสารกึ่งตัวนำในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง GaN ทำงานได้ดีขึ้นในสภาวะที่มีแรงดันไฟฟ้า สูงอุณหภูมิสูง และความถี่ในการสลับที่รวดเร็วเมื่อเทียบกับ ซิลิกอน สิ่งนี้ไปพร้อมกับประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ - ด้วยการใช้งานที่สิ้นเปลืองพลังงานจำนวนมากซึ่งหมายถึงการลดการใช้พลังงานที่สำคัญ Fraunhofer IAF ได้ทำการวิจัย GaN เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และระบบเป็นเวลาหลายปี ด้วยความช่วยเหลือของพันธมิตรอุตสาหกรรมผลงานวิจัยเหล่านี้ได้ถูกนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์แล้ว นักวิทยาศาสตร์ของโครงการ "Power Electronics 2020+" จะดำเนินต่อไปเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานและความทนทานของ ระบบอิเล็กทรอนิกส์ รุ่นต่อไปอีกครั้ง เพื่อจุดประสงค์นี้จะใช้วัสดุที่แตกต่างและแปลกใหม่: scandium aluminium nitride (ScAlN)

ทีมนักวิจัยที่ Fraunhofer IAF ได้ทำงานเกี่ยวกับคุณสมบัติ piezoelectric ของ ScAlN สำหรับใช้ในตัวกรองความถี่สูงเป็นเวลาหลายปี ภาพแสดงลักษณะของอุปกรณ์ดังกล่าวบนแผ่นเวเฟอร์ เครดิต: สถาบัน Fraunhofer สำหรับฟิสิกส์สถานะของแข็งประยุกต์ IAF

ScAlN เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ piezoelectric ที่มีความเป็นฉนวนสูงซึ่งยังไม่มีการสำรวจทั่วโลกส่วนใหญ่เกี่ยวกับการใช้งานในการใช้งานไมโครอิเล็กทรอนิกส์ "ความจริงที่ว่าอลูมิเนียมสแกนเดียมอะลูมิเนียมไนไตรด์เหมาะสมอย่างยิ่งกับส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์กำลังเนื่องจากคุณสมบัติทางกายภาพได้รับการพิสูจน์แล้ว" ดร. อิงอิงอธิบาย Michael Mikulla ผู้จัดการโครงการในส่วนของ Fraunhofer IAF เป้าหมายของโครงการคือการเติบโต ScAlN ที่จับคู่กันบนเลเยอร์ GaN และใช้โครงสร้าง heterostructures ที่เกิดขึ้นเพื่อประมวลผลทรานซิสเตอร์ที่มีความสามารถในการรับกระแสสูง "โครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้งานได้ตามวัสดุที่มีแถบแบนด์ขนาดใหญ่เช่น scandium aluminium nitride และ gallium nitride ช่วยให้ทรานซิสเตอร์ที่มีแรงดันไฟฟ้าและกระแสสูงมากอุปกรณ์เหล่านี้มีความหนาแน่นพลังงานสูงขึ้นต่อพื้นผิวของชิป อุณหภูมินี้มีความหมายเหมือนกันกับการสูญเสียการสลับเปลี่ยนที่ต่ำกว่าประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่สูงขึ้นและระบบที่มีขนาดกะทัดรัดยิ่งขึ้น "การรวม วัสดุ ทั้งสองเข้าด้วยกัน GaN และ ScAlN ทำให้เราต้องการเพิ่มกำลังการผลิตที่เป็นไปได้สูงสุดเป็นสองเท่าของอุปกรณ์ของเราในขณะเดียวกันก็ลดความต้องการพลังงานลงอย่างมาก" Mikulla กล่าว

งานบุกเบิกด้านการวิจัยวัสดุ

หนึ่งในความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของโครงการคือการเติบโตของคริสตัลโดยพิจารณาว่ามีโครงสร้างที่ยอดเยี่ยมไม่ว่าจะเป็นสูตรการเจริญเติบโตหรือคุณค่าเชิงประจักษ์สำหรับวัสดุนี้ ทีมงานโครงการจำเป็นต้องพัฒนาสิ่งเหล่านี้ในช่วงหลายเดือนข้างหน้าเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่สามารถทำซ้ำได้และเพื่อสร้างโครงสร้างเลเยอร์ที่สามารถนำไปใช้กับงาน ไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ได้

โครงการวิจัยจะดำเนินการโดยความร่วมมืออย่างใกล้ชิดระหว่างมหาวิทยาลัย Freiburg, สถาบัน Fraunhofer สำหรับฟิสิกส์สถานะของแข็งประยุกต์ IAF, ศูนย์การพัฒนาอย่างยั่งยืน Freiburg รวมทั้ง Fraunhofer Institure สำหรับระบบบูรณาการและเทคโนโลยีอุปกรณ์ IISB ใน Erlangen ซึ่งเป็นสมาชิกของ ศูนย์ประสิทธิภาพสูงสำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์ใน Erlangen รูปแบบใหม่ของความร่วมมือระหว่างการวิจัยของมหาวิทยาลัยและการพัฒนาเชิงสมัครจะเป็นแบบอย่างสำหรับความร่วมมือโครงการในอนาคต "ในอีกด้านหนึ่งโมเดลนี้อำนวยความสะดวกในการร่วมมือกับ บริษัท ต่างๆผ่านการถ่ายโอนผลการวิจัยขั้นพื้นฐานไปสู่การพัฒนาแอพพลิเคชั่นอย่างรวดเร็วในทางกลับกันมันเปิดผนึกการทำงานร่วมกันระหว่างศูนย์ Fraunhofer สองแห่งจากสองภูมิภาค ทั้งข้อเสนอของพวกเขาสำหรับลูกค้าที่มีศักยภาพของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ "ศาสตราจารย์ Ambacher พูดว่า