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新材料將推動硅基電子產品的發展

來源:沈陽市政府采購中心 發布時間:2020-02-07 09:44
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氮化鈧鋁:新材料將推動硅基電子產品的發展

 

電子市場在不斷增長,對越來越緊湊和高效的電力電子系統的需求也在不斷增長。以硅為基礎的電子元器件在可預見的未來將無法滿足日益增長的工業需求。這就是為什么來自弗萊堡大學(university of Freiburg)、弗萊堡可持續發展中心(Sustainability Center Freiburg)和弗勞恩霍夫- gesellschaft研究所(Fraunhofer-Gesellschaft)的科學家們聯手探索一種可能更適合未來電力電子產品的新材料結構的原因。

近期啟動的“節能電力電子功能半導體結構研究”項目(簡稱“電力電子2020+”)研究新型半導體材料氮化鈧鋁(ScAlN)。Freiburg大學可持續系統工程系(INATECH)電力電子學教授、Fraunhofer IAF主任Oliver Ambacher教授協調跨區域合作。

電子市場強勁增長的三個關鍵因素是:工業的自動化和數字化,以及越來越多的生態責任意識和可持續過程。只有在電子系統變得更加節能和節約資源的同時變得更加強大,才能降低電力消耗。

到目前為止,硅在電子工業中占主導地位。硅以其相對較低的成本和近乎完美的晶體結構,成為一種特別成功的半導體材料,這也是因為它的帶隙不僅允許良好的載流子濃度和速度,而且具有良好的介電強度。然而,硅電子逐漸達到其物理極限。特別是在功率密度和密實度要求方面,硅功率電子元器件不足。

創新的材料組成,更有動力和效率

氮化鎵(GaN)作為半導體在電力電子領域的應用已經克服了硅技術的局限性。與硅相比,氮化鎵在高壓、高溫和快速開關頻率的條件下性能更好。這與顯著提高能源效率密切相關——在大量的能源消耗應用中,這意味著顯著降低能源消耗。德國弗勞恩霍夫研究所多年來一直致力于GaN作為電子元器件和系統的半導體材料的研究。在工業伙伴的幫助下,這些研究工作的成果已經投入商業使用。“電力電子2020+”項目的科學家們將更進一步,以再次提高下一代電子系統的能源效率和耐久性。為此,將使用一種不同的新材料:氮化鈧鋁(ScAlN)。

Fraunhofer IAF的一個研究小組多年來一直致力于研究用于高頻濾波器的ScAlN的壓電特性。這張照片顯示了這種器件在晶圓片上的特性。來源:弗勞恩霍夫應用固體物理研究所IAF

ScAlN是一種介電強度高的壓電半導體材料,其在微電子領域的應用尚未在世界范圍內得到廣泛的探索。氮化鈧由于其物理特性,特別適合于電力電子元件,這一事實已經被證明," Michael Mikulla, Fraunhofer IAF項目經理Dr.-Ing解釋說。該項目的目標是在GaN層上生長晶格匹配的ScAlN,并利用由此產生的異質結構來處理高載流能力的晶體管?;诖髱恫牧系墓δ馨雽w結構,如氮化鈧鋁和氮化鎵,允許晶體管具有非常高的電壓和電流。這些器件達到更高的功率密度,每個芯片表面,以及更高的開關速度和更高的工作溫度。這就意味著更低的開關損耗、更高的能源效率和更緊湊的系統。Mikulla說:“通過將GaN和ScAlN這兩種材料結合起來,我們希望將設備的最大輸出功率提高一倍,同時顯著降低能源需求。”

材料研究的開拓性工作

該項目最大的挑戰之一是晶體生長,考慮到這種材料既沒有生長配方,也沒有經驗值,現有的結構。項目團隊需要在接下來的幾個月中開發這些技術,以達到可重復的結果,并生產出能夠成功用于電力電子應用的層結構。

該研究項目將由弗賴堡大學、弗勞恩霍夫固體物理應用物理研究所、弗雷堡可持續性中心以及埃爾蘭根電子系統高性能中心成員弗勞恩霍夫綜合系統和設備技術研究所密切合作進行。這種大學研究與應用導向開發之間的新型合作形式將成為未來項目合作的榜樣。“一方面,該模型通過將基礎研究的成果迅速轉移到面向應用的開發,促進了與企業的合作。另一方面,它開啟了兩個不同地區的技術互補的夫瑯和費中心之間的協同作用,從而改善了它們對半導體工業潛在客戶的報價。”Ambacher教授說。


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