創(chuàng)新的材料組合提供更高的功率和效率

隨著對電力電子系統(tǒng)日益緊湊和高效的需求不斷增長，同時由于硅電子器件在應用中已不能夠完全滿足當前的工業(yè)需求，因此弗萊堡大學、德國佛萊堡永續(xù)中心以及弗勞恩霍夫應用研究促進協(xié)會準備聯(lián)手探索更適合未來電力電子產(chǎn)品的新材料結(jié)構(gòu)。

在最近項目“節(jié)能電力電子功能半導體結(jié)構(gòu)研究”（'Power Electronics 2020+'）中正在研究一種新型半導體材料——鈧氮化鋁（ScAlN）。德國夫瑯和費應用固體物理研究所（IAF）主任、弗萊堡大學可持續(xù)系統(tǒng)工程系（INATECH）電力電子學教授Oliver Ambacher正在協(xié)調(diào)超區(qū)域合作。

當前影響電子市場強勁增長的三個關(guān)鍵因素是：行業(yè)的自動化與數(shù)字化、對生態(tài)責任意識的日益提高以及可持續(xù)性工藝。當電子系統(tǒng)在提高能源效率和資源效率的同時增強功率，功耗將會降低。

硅技術(shù)到達了物理發(fā)展極限

硅的成本相對較低，同時其晶體結(jié)構(gòu)是幾乎完美的，特別是因為其帶隙可以實現(xiàn)良好的載流子濃度和速度以及良好的介電強度，因此在電子工業(yè)中一直占據(jù)著主導地位。然而，硅電子產(chǎn)品已逐漸達到其物理極限。特別是在所需的功率密度和緊湊性方面，硅功率電子元件暴露出明顯的缺陷。

創(chuàng)新的材料組合提供更高的功率和效率

目前，通過將氮化鎵（GaN）用于功率電子器件已經(jīng)克服了硅技術(shù)的局限性。與硅相比，GaN在高電壓，高溫和快速開關(guān)頻率下表現(xiàn)展示出更優(yōu)良的性能。這也就意味著這類器件在眾多耗能應用中會擁有更高的能源效率，能源消耗也會有顯著的降低。多年來，IAF一直致力于研究用于電子元件和系統(tǒng)的GaN。在工業(yè)合作伙伴的幫助下，這項研究工作的成果已經(jīng)投入商業(yè)用途。在Power Electronics 2020+項目中，該研究將進一步發(fā)展，以提高下一代電子系統(tǒng)的能效和耐用性。因此，研究團隊將新型材料：氮化鈧（ScAlN）引入到本項研究中。

晶圓上基于ScAlN的高頻濾波器的表征。 ?Fraunhofer IAF

第一個基于ScAlN的組件

ScAlN是一種具有高介電強度的壓電半導體材料，就其在微電子應用中的可用性而言，在世界范圍內(nèi)很大程度上尚未開發(fā)?！坝捎谄湮锢硖匦?，鈧氮化鋁特別適用于電力電子元件，這一事實已經(jīng)得到證實，”IAF項目經(jīng)理Michael Mikulla博士指出。該項目的目標是在GaN層上生長晶格匹配的ScAlN，并使用所得的異質(zhì)結(jié)構(gòu)來處理具有高載流能力的晶體管?！盎诰哂写髱兜牟牧系墓δ馨雽w結(jié)構(gòu) - 例如氮化鈧和氮化鎵 - 可以使晶體管具有非常高的電壓和電流，”IAF主任Oliver Ambacher教授說?！斑@些器件的芯片表面功率密度更高，開關(guān)速度更快，工作溫度更高；這也就意味著其開關(guān)損耗更低，能效更高，系統(tǒng)更簡潔、緊湊“他補充道?！巴ㄟ^結(jié)合GaN和ScAlN兩種材料，我們希望可以成倍增加器件的最大可能輸出功率，并能夠顯著降低能耗”Mikulla說。

材料研究的開創(chuàng)性工作

考慮到迄今為止這種材料的增長配方和經(jīng)驗值都沒有，因此該項目中晶體生長是目前面臨的最大挑戰(zhàn)之一。項目團隊將會在未來幾個月內(nèi)對進行晶體生長研究，以期盼獲得可重復的結(jié)果，并生成可成功用于電力電子應用的層結(jié)構(gòu)。

弗萊堡與埃朗根之間的專家合作和知識轉(zhuǎn)移

該研究項目將由弗萊堡大學，夫瑯和費應用固體物理研究所（IAF），德國佛萊堡永續(xù)中心以及埃爾蘭根的弗勞恩霍夫弗勞恩霍夫系統(tǒng)集成和元件研究所（IISB）進行密切合作。學術(shù)研究和面向應用的發(fā)展之間的這種新型合作方式將成為未來項目合作的典范。

“一方面，這種模式通過將基礎(chǔ)研究成果迅速轉(zhuǎn)移到實際應用的發(fā)展，促進了科研機構(gòu)與公司的深度合作。 另一方面，它開辟了不同地區(qū)、不同技術(shù)上互補的協(xié)同效應，從而改善了他們?yōu)榘雽w行業(yè)的潛在客戶提供的服務水平“Ambacher說。