مادة جديدة لدفع حدود الإلكترونيات القائمة على السيليكون

21 يناير 2019 ، معهد فراونهوفر لفيزياء الحالة الصلبة التطبيقية IAF

Fraunhofer IAF تطور المكونات والأنظمة الإلكترونية القائمة على GaN. تظهر الصورة رقاقة GaN معالجتها. الائتمان: معهد فراونهوفر لفيزياء الحالة الصلبة التطبيقية IAF

يشهد سوق الإلكترونيات نمواً مطرداً وكذلك الطلب على أنظمة الطاقة الكهربائية المدمجة والفعالة بشكل متزايد. لن تتمكن المكونات الإلكترونية السائدة القائمة على السيليكون في المستقبل المنظور من تلبية المتطلبات الصناعية المتزايدة. لهذا السبب انضم علماء من جامعة فرايبورغ ومركز الاستدامة فرايبورج وفراونهوفر-جيزيلشافت من أجل استكشاف بنية مواد جديدة قد تكون أكثر ملاءمة لإلكترونيات الطاقة المستقبلية.

يبحث المشروع الذي تم إطلاقه مؤخرًا "بحث عن هياكل أشباه الموصلات الوظيفية لإلكترونيات الطاقة الفعالة في استهلاك الطاقة" (باختصار "إلكترونيات الطاقة 2020+") في رواية مادة الألومنيوم لأشباه الموصلات في سكانديوم نيتريد الألومنيوم (ScAlN). يقوم الأستاذ الدكتور أوليفر أمباكر ، مدير Fraunhofer IAF وأستاذ إلكترونيات الطاقة في قسم هندسة النظم المستدامة (INATECH) بجامعة فرايبورغ ، بتنسيق التعاون فوق الإقليمي.

هناك ثلاثة عوامل رئيسية مسؤولة عن النمو القوي لسوق الإلكترونيات : الأتمتة والرقمنة للصناعة بالإضافة إلى زيادة الوعي بالمسؤولية البيئية والعمليات المستدامة. لا يمكن خفض استهلاك الطاقة إلا إذا أصبحت الأنظمة الإلكترونية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة والموارد في نفس الوقت الذي تصبح فيه أكثر قوة.

حتى الآن ، يهيمن السيليكون على صناعة الإلكترونيات. بفضل تكلفته المنخفضة نسبيًا وهيكله البلوري المثالي تقريبًا ، أصبح السيليكون مادة أشباه الموصلات ناجحة بشكل خاص ، أيضًا لأن فجوة نطاقه تسمح بتركيز وسرعة حامل شحن جيد بالإضافة إلى قوة عازلة جيدة. ومع ذلك ، فإن الالكترونيات السيليكون تصل تدريجيا إلى الحد المادي. خاصة فيما يتعلق بكثافة الطاقة المطلوبة والاكتناز ، لا تكفي المكونات الإلكترونية لقدرة السيليكون.

تكوين مواد مبتكرة لمزيد من القوة والكفاءة

تم بالفعل التغلب على قيود تكنولوجيا السيليكون من خلال استخدام نيتريد الغاليوم (GaN) كأشباه موصلات في إلكترونيات الطاقة. يعمل GaN بشكل أفضل في ظروف الفولتية العالية ودرجات الحرارة العالية وترددات التبديل السريعة مقارنة بالسليكون . وهذا يسير جنبًا إلى جنب مع كفاءة استخدام طاقة أعلى بكثير - مع العديد من التطبيقات التي تستهلك الطاقة ، وهذا يعني انخفاضًا كبيرًا في استهلاك الطاقة. تبحث فراونهوفر IAF عن GaN كمواد أشباه الموصلات للمكونات والأنظمة الإلكترونية لسنوات عديدة. بمساعدة الشركاء الصناعيين ، تم بالفعل استخدام نتائج أعمال البحث هذه للاستخدام التجاري. سيذهب علماء مشروع "Electronics Electronics 2020+" إلى أبعد من ذلك من أجل تعزيز كفاءة الطاقة ومتانة الجيل التالي من الأنظمة الإلكترونية . لهذا الغرض ، سيتم استخدام مواد مختلفة ورواية: نيتريد الألومنيوم سكانديوم (ScAlN).

يعمل فريق من الباحثين في Fraunhofer IAF على خصائص كهرضغطية لـ ScAlN لاستخدامها في المرشحات عالية التردد لسنوات عديدة. تظهر الصورة توصيف هذه الأجهزة على رقاقة. الائتمان: معهد فراونهوفر لفيزياء الحالة الصلبة التطبيقية IAF

إن ScAlN عبارة عن مادة شبه موصل كهرضغطية ذات قوة عازلة عالية غير مستكشفة إلى حد كبير في جميع أنحاء العالم فيما يتعلق بقابليتها للاستخدام في التطبيقات الإلكترونية الدقيقة. "إن حقيقة أن نيتريد سكانديوم الألومنيوم مناسب بشكل خاص للمكونات الإلكترونية للطاقة ، بسبب خواصه الفيزيائية ، لقد تم إثباته بالفعل" ، يوضح دكتور إنج. مايكل Mikulla ، مدير المشروع من جانب Fraunhofer IAF. الهدف من المشروع هو تطوير ScAlN المطابقة لشبكة شعرية على طبقة GaN واستخدام الهياكل غير المتجانسة الناتجة لمعالجة الترانزستورات ذات قدرة حمل عالية حالية. "تسمح هياكل أشباه الموصلات الوظيفية القائمة على مواد ذات فجوة نطاقات كبيرة ، مثل نيتريد ألومنيوم سكانديوم ونتريد الغاليوم ، الترانزستورات ذات الفولتية العالية والتيارات العالية. هذه الأجهزة تصل إلى كثافة طاقة أعلى لكل سطح رقاقة بالإضافة إلى سرعات تحويل أعلى وتشغيل أعلى ويضيف البروفيسور الدكتور أوليفر أمباكر ، مدير Fraunhofer IAF: "هذا مرادف لخسارة التبديل المنخفضة ، وكفاءة الطاقة العالية ، والمزيد من الأنظمة المدمجة". يقول ميكولا: "من خلال الجمع بين كلا المادتين ، GaN و ScAlN ، نريد مضاعفة أقصى طاقة إنتاج ممكنة لأجهزتنا وفي نفس الوقت خفض الطلب على الطاقة بشكل كبير".

العمل الرائد في بحوث المواد

أحد أكبر التحديات التي تواجه المشروع هو النمو البلوري ، مع الأخذ في الاعتبار أنه لا يوجد وصفات نمو أو قيم تجريبية لهذه المادة ، حتى الآن. يحتاج فريق المشروع إلى تطويرها خلال الأشهر القادمة للوصول إلى نتائج قابلة للتكرار ولإنشاء هياكل طبقة يمكن استخدامها بنجاح للتطبيقات الإلكترونية التي تعمل بالطاقة .

سيتم إجراء المشروع البحثي بالتعاون الوثيق بين جامعة فرايبورغ ومعهد فراونهوفر لفيزياء الحالة الصلبة التطبيقية IAF ومركز الاستدامة فرايبورغ ومعهد فراونهوفر للأنظمة المتكاملة وتكنولوجيا الأجهزة معهد الدراسات الإسماعيلية في إيرلانجن ، وهو عضو في المركز عالي الأداء للأنظمة الإلكترونية في إرلانجن. يجب أن يكون هذا الشكل الجديد من التعاون بين البحث الجامعي والتطوير الموجه للتطبيق نموذجًا يحتذى به للتعاون في المشروع في المستقبل. "من ناحية ، يسهل هذا النموذج التعاون مع الشركات من خلال النقل السريع للنتائج من البحوث الأساسية إلى التطوير الموجه نحو التطبيق. من ناحية أخرى ، يفتح هذا المجال أوجه التآزر بين مركزين فراونهوفر التكميلي تقنيًا من منطقتين مختلفتين ، وبالتالي يحسن يقول البروفيسور أمباكر: "كلاهما يعرضان للعملاء المحتملين في صناعة أشباه الموصلات".