Deunydd newydd i wthio ffiniau electroneg sy'n seiliedig ar silicon

Ionawr 21, 2019, Sefydliad Fraunhofer ar gyfer Ffiseg Wladwriaeth Solid Gymhwysol IAF

Mae Fraunhofer IAF yn datblygu cydrannau a systemau electronig yn seiliedig ar GaN. Mae'r ddelwedd yn dangos wafer GaN wedi'i brosesu. Credyd: Sefydliad Fraunhofer Ffiseg y Wladwriaeth Solid Cymhwysol IAF

Mae'r farchnad electroneg yn tyfu'n gyson ac felly hefyd y galw am systemau electronig pŵer cynyddol gryno ac effeithlon. Yn y dyfodol agos, ni fydd y prif gydrannau electronig sy'n seiliedig ar silicon yn gallu cwrdd â'r gofynion diwydiannol cynyddol. Dyma pam mae gwyddonwyr o brifysgol Freiburg, y Ganolfan Gynaliadwyedd Freiburg a'r Fraunhofer-Gesellschaft wedi ymuno er mwyn archwilio strwythur deunydd newydd a allai fod yn fwy addas ar gyfer electroneg pŵer yn y dyfodol.

Mae'r prosiect a lansiwyd yn ddiweddar "Ymchwil i Strwythurau Lled-ddargludyddion Gweithredol ar gyfer Electroneg Pwer Effeithlonrwydd Ynni" (yn fyr "Power Electronics 2020+") yn ymchwilio i'r deunydd lled-ddargludyddion newydd scandium alwminiwm (ScAlN). Yr Athro Dr. Oliver Ambacher, cyfarwyddwr Fraunhofer IAF ac athro electroneg pŵer yn Adran Peirianneg Systemau Cynaliadwy (INATECH) prifysgol Freiburg, sy'n cydlynu'r cydweithredu uwch-ranbarthol.

Mae tri ffactor allweddol yn gyfrifol am dwf cryf y farchnad electroneg : awtomeiddio a digideiddio'r diwydiant yn ogystal â'r ymwybyddiaeth gynyddol o gyfrifoldeb ecolegol a phrosesau cynaliadwy. Dim ond os daw systemau electronig yn fwy ynni-effeithlon ac effeithlon o ran adnoddau yr un pryd y maent yn dod yn fwy pwerus y gellir gostwng y defnydd o bŵer.

Yn gyfredol, mae silicon yn dominyddu'r diwydiant electroneg. Gyda'i gost isel gymharol a'i strwythur grisial bron yn berffaith, mae silicon wedi dod yn ddeunydd lled-ddargludyddion arbennig o lwyddiannus, hefyd oherwydd bod ei fandgap yn caniatáu crynodiad a chyflymder cludwr gwefr dda yn ogystal â chryfder dielectrig da. Fodd bynnag, mae electroneg silicon yn cyrraedd ei derfyn corfforol yn raddol. Yn enwedig o ran y dwysedd pŵer a'r crynoder gofynnol, nid yw cydrannau electronig pŵer silicon yn ddigonol.

Cyfansoddiad Deunydd Arloesol ar gyfer Mwy o Bwer ac Effeithlonrwydd

Mae cyfyngiadau technoleg silicon eisoes wedi'u goresgyn trwy ddefnyddio gallium nitride (GaN) fel lled-ddargludydd mewn electroneg pŵer. Mae GaN yn perfformio'n well mewn amodau folteddau uchel, tymereddau uchel ac amleddau newid cyflym o gymharu â silicon . Mae hyn yn mynd law yn llaw ag effeithlonrwydd ynni sylweddol uwch - gyda nifer o gymwysiadau sy'n defnyddio ynni, mae hyn yn golygu gostyngiad sylweddol yn y defnydd o ynni. Mae Fraunhofer IAF wedi bod yn ymchwilio i GaN fel deunydd lled-ddargludyddion ar gyfer cydrannau a systemau electronig ers blynyddoedd lawer. Gyda chymorth partneriaid diwydiannol, mae canlyniadau'r gwaith ymchwil hwn eisoes wedi'u defnyddio at ddefnydd masnachol. Bydd gwyddonwyr y prosiect "Power Electronics 2020+" yn mynd hyd yn oed ymhellach er mwyn gwella effeithlonrwydd ynni a gwydnwch y genhedlaeth nesaf o systemau electronig unwaith eto . At y diben hwn, defnyddir deunydd gwahanol a newydd: scandium alwminiwm nitrid (ScAlN).

Mae tîm o ymchwilwyr yn Fraunhofer IAF wedi bod yn gweithio ar briodweddau piezoelectric ScAlN i'w defnyddio mewn hidlwyr amledd uchel ers blynyddoedd lawer. Mae'r llun yn dangos nodweddiad dyfeisiau o'r fath ar wafer. Credyd: Sefydliad Fraunhofer Ffiseg y Wladwriaeth Solid Cymhwysol IAF

Mae ScAlN yn ddeunydd lled-ddargludyddion piezoelectric sydd â chryfder dielectrig uchel sydd heb ei archwilio ledled y byd i raddau helaeth o ran ei ddefnyddioldeb mewn cymwysiadau microelectroneg. "Mae'r ffaith bod scandium alwminiwm nitrid yn arbennig o addas ar gyfer cydrannau electronig pŵer, oherwydd ei briodweddau ffisegol, eisoes wedi'i brofi," eglura Dr.-Ing. Michael Mikulla, rheolwr prosiect ar ran Fraunhofer IAF. Nod y prosiect yw tyfu ScAlN sy'n cyfateb i ddellt ar haen GaN a defnyddio'r heterostrwythurau sy'n deillio o hyn i brosesu transistorau sydd â gallu cario cerrynt uchel. "Mae strwythurau lled-ddargludyddion swyddogaethol sy'n seiliedig ar ddeunyddiau â bandgap mawr, fel scandium alwminiwm nitrid a gallium nitride, yn caniatáu ar gyfer transistorau â folteddau a cheryntau uchel iawn. Mae'r dyfeisiau hyn yn cyrraedd dwysedd pŵer uwch fesul wyneb sglodion yn ogystal â chyflymder newid uwch a gweithredu uwch. tymereddau. Mae hyn yn gyfystyr â cholledion newid is, effeithlonrwydd ynni uwch a systemau mwy cryno, "ychwanega'r Athro Dr. Oliver Ambacher, cyfarwyddwr Fraunhofer IAF. "Trwy gyfuno'r ddau ddeunydd , GaN a ScAlN, rydyn ni am ddyblu pŵer allbwn mwyaf posibl ein dyfeisiau ac ar yr un pryd ostwng y galw am ynni yn sylweddol," meddai Mikulla.

Gwaith Arloesol mewn Ymchwil Deunyddiau

Un o heriau mwyaf y prosiect yw twf grisial, gan ystyried nad oes strwythur exsist na ryseitiau twf na gwerthoedd empirig ar gyfer y deunydd hwn, eto. Mae angen i dîm y prosiect ddatblygu’r rhain yn ystod y misoedd nesaf er mwyn cyrraedd canlyniadau atgynyrchiol ac i gynhyrchu strwythurau haen y gellir eu defnyddio’n llwyddiannus ar gyfer cymwysiadau electronig pŵer .

Bydd y prosiect ymchwil yn cael ei gynnal mewn cydweithrediad agos rhwng prifysgol Freiburg, Sefydliad Fraunhofer ar gyfer Ffiseg y Wladwriaeth Solid Cymhwysol IAF, y Ganolfan Gynaliadwyedd Freiburg yn ogystal â Sefydliad Fraunhofer ar gyfer Systemau Integredig a Thechnoleg Dyfais IISB yn Erlangen, sy'n aelod o y Ganolfan Perfformiad Uchel ar gyfer Systemau Electronig yn Erlangen. Bydd y math newydd hwn o gydweithredu rhwng ymchwil prifysgol a datblygu sy'n canolbwyntio ar gymwysiadau yn fodel rôl ar gyfer cydweithredu â phrosiectau yn y dyfodol. "Ar y naill law, mae'r model hwn yn hwyluso'r cydweithrediad â chwmnïau trwy drosglwyddo canlyniadau'n brydlon o ymchwil sylfaenol i ddatblygiad sy'n canolbwyntio ar gymwysiadau. Ar y llaw arall, mae'n agor synergeddau rhwng dwy Ganolfan Fraunhofer sy'n ategu ei gilydd yn dechnegol o ddau ranbarth gwahanol ac felly'n gwella. y ddau eu cynigion ar gyfer darpar gwsmeriaid y diwydiant lled-ddargludyddion, "meddai'r Athro Ambacher.