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不是GaN也不是石墨烯 一种突破硅技术限制的新材料被发现

导读: 大学、协会和电力中心的科学家们已经联合起来,研究一种可以更好地满足未来工业需求的部件及新型材料结构。现在,这些科学家正在研究一种也许大多数电子工程师也未曾听说过的新材料:ScAIN。

在电力电子领域,当前仍然占据主导地位的硅技术将无法在可以预见的未来满足不断增长的需求。大学、协会和电力中心的科学家们已经联合起来,研究一种可以更好地满足未来工业需求的部件及新型材料结构。现在,这些科学家正在研究一种也许大多数电子工程师也未曾听说过的新材料:ScAIN。

电子行业的自动化和数字化对生态责任和可持续性提出了越来越高的要求,只有电子系统继续提高能源效率和资源使用效率,才能降低能耗,推动电子市场的发展。

不是GaN也不是石墨烯 一种突破硅技术限制的新材料被发现

到目前为止,在电子行业中占据主导地位的材料仍然是硅。除了具备较低的成本和几乎完美的晶体结构外,硅的带隙能够实现良好的电流密度、速度,并具备良好的介电强度,所以成为了一种特别成功的半导体材料。不过,随着未来的元件需要更高的功率密度,以及搭载这些器件的设备要求日益紧凑,硅电子器件也慢慢地达到了其物理极限。

通过在功率电子器件中使用半导体氮化镓(GaN),已经在部分程度上克服了硅技术的限制。在非常高的电压、温度和开关频率下,氮化镓可以表现出比硅更高的性能,因此能够显着提高能量效率。在众多能源密集型应用中,这意味着能耗的显着降低。

位于德国弗赖堡的弗劳恩霍夫应用固态物理研究所(IAF)多年来一直在研究GaN半导体结构,并开发基于GaN的电子元件和系统。在行业合作伙伴的帮助下,这项研究成果已经成功地实现商业应用。在最近启动的“电力电子2020+”项目中,研究人员现在正在进一步提高能源效率和未来电子系统的使用寿命。为了达到这个目标,研究人员首次使用了另一种新型材料:钪氮化铝(ScAlN)。

第一个基于ScAlN的组件

ScAlN是一种具有高介电强度的压电半导体材料,它在微电子领域的应用潜力在很大程度上还未被开发出来。“科学研究已经证明,钪氮化铝的物理特性使它特别适用于电子电子元件。”弗劳恩霍夫应用固态物理研究所的项目经理MichaelMikulla解释道。

具体而言,研究的目标是在与晶格匹配的GaN层上生长ScAlN,并且利用由其产生的异质结构来处理具有高载流能力的晶体管。“基于具有大带隙的材料(例如氮化钪和氮化镓)的半导体结构使得晶体管能够实现非常高的电压和电流。这些器件实现了单位芯片面积上更高的功率密度以及更高的开关速度,并可承受更高的工作温度。这些综合性的性能转化为更低的开关损耗、更高的能效和更紧凑的系统,”弗劳恩霍夫研究所主任、弗莱堡大学可持续技术系统研究所(INATECH)的电力电子学教授OliverAmbacher解释道。目前,研究人员最重要的短期目标之一是将GaN和ScAIN材料组合在一起,使得组件的最大输出功率翻倍,同时显著降低能耗。

这个研究项目面临的一个最大挑战是晶体生长,因为这种材料结构没有历史经验可供参考,也不存在生长配方。项目研发团队将在未来几个月内克服这个障碍,以获得可以重复得出的结果,并生成可以成功地用在电力电子应用中的层结构。

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