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Power Electronics 2020+项目将在GaN上生长晶格匹配的ScAlN

导读: 在最近项目“节能电力电子功能半导体结构研究”('Power Electronics 2020+')中正在研究一种新型半导体材料——钪氮化铝(ScAlN)。

随着对电力电子系统日益紧凑和高效的需求不断增长,同时由于硅电子器件在应用中已不能够完全满足当前的工业需求,因此弗莱堡大学、德国佛莱堡永续中心以及弗劳恩霍夫应用研究促进协会准备联手探索更适合未来电力电子产品的新材料结构。

在最近项目“节能电力电子功能半导体结构研究”('Power Electronics 2020+')中正在研究一种新型半导体材料——钪氮化铝(ScAlN)。 德国夫琅和费应用固体物理研究所(IAF)主任、弗莱堡大学可持续系统工程系(INATECH)电力电子学教授Oliver Ambacher正在协调超区域合作。

当前影响电子市场强劲增长的三个关键因素是:行业的自动化与数字化、对生态责任意识的日益提高以及可持续性工艺。当电子系统在提高能源效率和资源效率的同时增强功率,功耗将会降低。

硅技术到达了物理发展极限

硅的成本相对较低,同时其晶体结构是几乎完美的,特别是因为其带隙可以实现良好的载流子浓度和速度以及良好的介电强度,因此在电子工业中一直占据着主导地位。然而,硅电子产品已逐渐达到其物理极限。特别是在所需的功率密度和紧凑性方面,硅功率电子元件暴露出明显的缺陷。

创新的材料组合提供更高的功率和效率

目前,通过将氮化镓(GaN)用于功率电子器件已经克服了硅技术的局限性。与硅相比,GaN在高电压,高温和快速开关频率下表现展示出更优良的性能。这也就意味着这类器件在众多耗能应用中会拥有更高的能源效率,能源消耗也会有显着的降低。多年来,IAF一直致力于研究用于电子元件和系统的GaN。在工业合作伙伴的帮助下,这项研究工作的成果已经投入商业用途。在Power Electronics 2020+项目中,该研究将进一步发展,以提高下一代电子系统的能效和耐用性。因此,研究团队将新型材料:氮化钪(ScAlN)引入到本项研究中。

Power Electronics 2020+项目将在GaN上生长晶格匹配的ScAlN

晶圆上基于ScAlN的高频滤波器的表征。 Fraunhofer IAF

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,就其在微电子应用中的可用性而言,在世界范围内很大程度上尚未开发。“由于其物理特性,钪氮化铝特别适用于电力电子元件,这一事实已经得到证实,”IAF项目经理Michael Mikulla博士指出。该项目的目标是在GaN层上生长晶格匹配的ScAlN,并使用所得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的功能半导体结构 - 例如氮化钪和氮化镓 - 可以使晶体管具有非常高的电压和电流,”IAF主任Oliver Ambacher教授说。“这些器件的芯片表面功率密度更高,开关速度更快,工作温度更高;这也就意味着其开关损耗更低,能效更高,系统更简洁、紧凑“他补充道。 “通过结合GaN和ScAlN两种材料,我们希望可以成倍增加器件的最大可能输出功率,并能够显著降低能耗”Mikulla说。

材料研究的开创性工作

考虑到迄今为止这种材料的增长配方和经验值都没有,因此该项目中晶体生长是目前面临的最大挑战之一。 项目团队将会在未来几个月内对进行晶体生长研究,以期盼获得可重复的结果,并生成可成功用于电力电子应用的层结构。

弗莱堡与埃朗根之间的专家合作和知识转移

该研究项目将由弗莱堡大学,夫琅和费应用固体物理研究所(IAF),德国佛莱堡永续中心以及埃尔兰根的弗劳恩霍夫弗劳恩霍夫系统集成和元件研究所(IISB)进行密切合作。学术研究和面向应用的发展之间的这种新型合作方式将成为未来项目合作的典范。

“一方面,这种模式通过将基础研究成果迅速转移到实际应用的发展,促进了科研机构与公司的深度合作。 另一方面,它开辟了不同地区、不同技术上互补的协同效应,从而改善了他们为半导体行业的潜在客户提供的服务水平“Ambacher说。

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