Nuevo material para empujar los límites de la electrónica basada en silicio.

21 de enero de 2019, Instituto Fraunhofer para Física del Estado Sólido Aplicado IAF

Fraunhofer IAF desarrolla componentes y sistemas electrónicos basados en GaN. La imagen muestra una oblea de GaN procesada. Crédito: Instituto Fraunhofer para Física del Estado Sólido Aplicado IAF

El mercado de la electrónica está creciendo constantemente, al igual que la demanda de sistemas electrónicos de potencia cada vez más compactos y eficientes. Los componentes electrónicos predominantes basados en silicio en un futuro previsible ya no podrán satisfacer los crecientes requisitos industriales. Esta es la razón por la que los científicos de la universidad de Friburgo, el Centro de sostenibilidad de Friburgo y el Fraunhofer-Gesellschaft se han unido para explorar una nueva estructura de material que podría ser más adecuada para la electrónica de potencia futura.

El proyecto recientemente lanzado "Investigación de estructuras semiconductoras funcionales para electrónica de potencia energéticamente eficiente" (en breve "Power Electronics 2020+") investiga el nuevo material semiconductor nitruro de aluminio y escandio (ScAlN). El Prof. Dr. Oliver Ambacher, director de Fraunhofer IAF y profesor de electrónica de potencia en el Departamento de Ingeniería de Sistemas Sostenibles (INATECH) de la universidad de Friburgo, coordina la colaboración supra-regional.

Tres factores clave son responsables del fuerte crecimiento del mercado de la electrónica : la automatización y la digitalización de la industria, así como la creciente conciencia de la responsabilidad ecológica y los procesos sostenibles. El consumo de energía solo puede reducirse si los sistemas electrónicos se vuelven más eficientes en energía y recursos al mismo tiempo que se vuelven más potentes.

Hasta la fecha, el silicio domina la industria electrónica. Con su costo relativamente bajo y una estructura cristalina casi perfecta, el silicio se ha convertido en un material semiconductor particularmente exitoso, también porque su intervalo de banda permite una buena concentración y velocidad del portador de carga, así como una buena resistencia dieléctrica. Sin embargo, la electrónica de silicio alcanza gradualmente su límite físico. Especialmente con respecto a la densidad de potencia requerida y la compacidad, los componentes electrónicos de potencia de silicio son insuficientes.

Composición de materiales innovadora para más potencia y eficiencia.

Las limitaciones de la tecnología de silicio ya se han superado con el uso de nitruro de galio (GaN) como semiconductor en la electrónica de potencia. GaN se desempeña mejor en condiciones de altos voltajes, altas temperaturas y frecuencias de conmutación rápida en comparación con el silicio . Esto va de la mano con una eficiencia energética significativamente mayor; con numerosas aplicaciones que consumen energía, esto significa una reducción significativa en el consumo de energía. Fraunhofer IAF ha estado investigando GaN como material semiconductor para componentes y sistemas electrónicos durante muchos años. Con la ayuda de socios industriales, los resultados de este trabajo de investigación ya se han puesto en uso comercial. Los científicos del proyecto "Power Electronics 2020+" irán aún más lejos para mejorar una vez más la eficiencia energética y la durabilidad de la próxima generación de sistemas electrónicos . Para este propósito, se utilizará un material diferente y novedoso: nitruro de aluminio y escandio (ScAlN).

Un equipo de investigadores de Fraunhofer IAF ha estado trabajando en las propiedades piezoeléctricas de ScAlN para el uso en filtros de alta frecuencia durante muchos años. La imagen muestra la caracterización de tales dispositivos en una oblea. Crédito: Instituto Fraunhofer para Física del Estado Sólido Aplicado IAF

ScAlN es un material semiconductor piezoeléctrico con una alta resistencia dieléctrica que está prácticamente inexplorado en todo el mundo por su facilidad de uso en aplicaciones microelectrónicas. "El hecho de que el nitruro de aluminio y escandio es especialmente adecuado para componentes electrónicos de potencia, debido a sus propiedades físicas, ya se ha demostrado", explica el Dr.-Ing. Michael Mikulla, gerente de proyectos por parte de Fraunhofer IAF. El objetivo del proyecto es hacer crecer ScAlN de celosía en una capa de GaN y utilizar las heteroestructuras resultantes para procesar transistores con alta capacidad de carga de corriente. "Las estructuras semiconductoras funcionales basadas en materiales con un gran ancho de banda, como el nitruro de escandio y aluminio y el nitruro de galio, permiten transistores con voltajes y corrientes muy altos. Estos dispositivos alcanzan una mayor densidad de potencia por superficie de viruta, así como mayores velocidades de conmutación y mayor funcionamiento. temperaturas. Esto es sinónimo de menores pérdidas de conmutación, mayor eficiencia energética y sistemas más compactos ", agrega el Prof. Dr. Oliver Ambacher, director de Fraunhofer IAF. "Al combinar ambos materiales , GaN y ScAlN, queremos duplicar la potencia de salida máxima posible de nuestros dispositivos y, al mismo tiempo, reducir significativamente la demanda de energía", dice Mikulla.

Trabajo pionero en la investigación de materiales

Uno de los mayores desafíos del proyecto es el crecimiento de los cristales, teniendo en cuenta que aún no existe una estructura de crecimiento ni valores empíricos para este material. El equipo del proyecto necesita desarrollarlos durante los próximos meses para alcanzar resultados reproducibles y producir estructuras de capas que puedan usarse con éxito para aplicaciones de electrónica de potencia .

El proyecto de investigación se llevará a cabo en estrecha colaboración entre la universidad de Friburgo, el Instituto Fraunhofer para Física del Estado Sólido Aplicado (IAF), el Centro de Sustentabilidad de Friburgo (Friburgo) y el Instituto Fraunhofer para Sistemas Integrados y Tecnología de Dispositivos (IISB) en Erlangen, que es miembro de El Centro de Alto Rendimiento para Sistemas Electrónicos en Erlangen. Esta nueva forma de colaboración entre la investigación universitaria y el desarrollo orientado a la aplicación servirá de modelo para la cooperación futura del proyecto. "Por un lado, este modelo facilita la cooperación con las empresas mediante la transferencia rápida de los resultados de la investigación básica al desarrollo orientado a la aplicación. Por otro lado, abre sinergias entre dos Centros Fraunhofer técnicamente complementarios de dos regiones diferentes y, por lo tanto, mejora tanto sus ofertas para clientes potenciales de la industria de semiconductores ", dice el Prof. Ambacher.