Kremniy asosli elektronikaning chegaralarini yangi materiallar

2019 yil 21-yanvar, IAF Fraunhofer Ilova Qattiq Jism Fizika Instituti

Fraunhofer IAF GaN asosida elektron komponentlar va tizimlarni ishlab chiqadi. Rasmda qayta ishlangan GaN gofret ko'rsatilgan. Kredit: Fraunxofer IAF Qattiq jism fizikasi instituti

Elektron bozori muntazam ravishda o'sib bormoqda, shuning uchun ham ixcham va samarali energiya elektron tizimlariga talab mavjud. Kremniyga asoslangan asosiy komponentlar yaqin kelajakda ortib borayotgan sanoat talablariga javob bera olmaydi. Shuning uchun Frayburg' universiteti olimlari, Frayburg'ning Barqarorlik Markazi va Fraunhofer-Gesellschaft kelgusida elektr energiyasi uchun mos keladigan yangi moddiy strukturani kashf qilish uchun kuchlarni birlashtirdi.

Yaqinda boshlangan "Energiya tejamkor elektrni ishlab chiqarish uchun funktsional yarim o'tkazgich strukturasini o'rganish" loyihasi (qisqacha "Power Electronics 2020+") yangi yarimo'tkazgich materiallari skandium alyuminiy nitriti (ScAlN) ni tadqiq qiladi. Fraunhofer IAF direktori, doktor Oliver Ambacher va Freiburg universiteti barqaror tizim muhandisligi (INATECH) bo'limining energetika elektronikasi professori oliy darajadagi hamkorlikni muvofiqlashtiradi.

Elektr bozorining kuchli o'sishi : sanoatni avtomatlashtirish va raqamlashtirish, shuningdek, ekologik mas'uliyat va barqaror jarayonlar haqida xabardorlikni oshirish uchun uchta muhim omil hisoblanadi . Elektr energiyasi iste'moli faqat elektron tizimlar energiya va resurslardan samarali bo'lishiga qaramasdan, ular yanada kuchliroq bo'lganda ham pastga tushishi mumkin.

Bugungi kunda silikon elektron sanoatiga ustunlik qiladi. Nisbatan arzon narxlardagi va deyarli mukammal kristalli strukturasi bilan silikon, ayniqsa, muvaffaqiyatli yarim Supero'tkazuvchi materialga aylandi, shuningdek, uning lentasi ham yaxshi zaryadlovchilarning kontsentratsiyasi va tezligi, ham yaxshi dielektrik quvvatiga imkon beradi. Biroq, silikon elektroni asta-sekin jismoniy chegarasiga etadi. Ayniqsa, kerakli quvvat zichligi va ixchamligi bilan bog'liq holda, silikon quvvatli elektron komponentlar etarli emas.

Ko'p quvvat va samaradorlik uchun innovatsion moddiy tarkib

Silikon texnologiyasining cheklovlari kuchlanish elektronikasida yarimo'tkazgich sifatida galyum nitridi (GaN) dan foydalanish orqali engib o'tgan. GaN yuqori keskinlik, yuqori haroratlar va tezkor almashinish chastotalari sharoitida silikon bilan solishtirganda yaxshiroq ishlaydi . Bu juda katta energiya samaradorligi bilan juda ko'p energiya sarflaydigan ilovalar bilan birgalikda qo'llanadi, bu energiya sarfini sezilarli darajada pasayishi demakdir. Fraunhofer IAF ko'p yillar davomida elektron komponentlar va tizimlar uchun yarim Supero'tkazuvchi material sifatida GaNni tadqiq qilmoqda. Sanoat hamkorlari yordamida ushbu tadqiqot ishlarining natijalari allaqachon tijorat maqsadlarida foydalanishga topshirilgan. "Power Electronics 2020 +" loyihasining olimlari kelgusi avlod elektron tizimlarining energiya samaradorligi va mustahkamligini yana bir bor oshirish uchun yanada kengayadi . Buning uchun turli xil va yangi materiallardan foydalaniladi: skandium alyuminiy nitriti (ScAlN).

Fraunhofer IAF da tadqiqotchilar guruhi ko'p yillar davomida yuqori chastotali filtrlarda foydalanish uchun ScAlN ning piezoelektrik xususiyatlari ustida ishlamoqda. Rasmda bunday qurilmalarning gofrirovka ko'rinishi ko'rsatilgan. Kredit: Fraunxofer IAF Qattiq jism fizikasi instituti

ScAlN mikroelektronik dasturlarda uning mavjudligi haqida keng miqyosda o'rganilmagan yuqori dielektrik quvvatga ega bo'lgan piezoelektrik yarim o'tkazgichli materialdir. "Skandium alyuminiy nitriti fizik xususiyatlari tufayli elektr energiyasi uchun elektron komponentlar uchun juda mos bo'lganligi allaqachon tasdiqlangan", deydi Dr.-Ing. Maykl Mikulla, Fraunhofer IAF tomonidan loyiha menejeri. Loyihaning maqsadi, GaN qatlamida qobiq bilan taqqoslangan ScAlN hosil qilish va transistorlarni yuqori oqim o'tkazish qobiliyatiga ega bo'lish uchun hosil bo'lgan heterostrukturalarni qo'llashdir. "Scandium alyuminiy nitriti va gallium nitridi kabi keng ko'lamli materiallarga asoslangan funktsional yarim o'tkazgich strukturalari juda yuqori kuchlanishli va oqimlari bo'lgan tranzistorlar uchun ruxsat beradi, bu qurilmalar chip sirtiga nisbatan yuqori quvvat zichligiga, shuningdek, yuqori tezlikda ishlash tezligiga va yuqori ishlashga ega bo'ladi Fraunhofer IAF direktori Prof. Dr. Oliver Ambacher shunday dedi: "Bu pastki anahtarlama kayıpları, yuqori energiya olish va undan ko'p yilni tizimlar bilan sinonimidir." "Har ikkala materialni GaN va ScAlN bilan birlashtirib , biz qurilmalarimizning maksimal quvvatini ikki barobar oshirishni istaymiz, ayni paytda energiya talabini sezilarli darajada kamaytirmoqdamiz", - deydi Mikulla.

Materiallarni tadqiq qilishda kashshof ish

Loyihaning eng katta muammolaridan biri, kristalli o'sishdir, chunki u hali bu material uchun o'sish retseptlari yoki empirik qiymatlar mavjud. Loyiha jamoasi keyingi oylarda takrorlanadigan natijalarga erishish va elektr energiyasini elektron qo'llanmalar uchun muvaffaqiyatli ishlatilishi mumkin bo'lgan qatlamli inshootlarni ishlab chiqish uchun ularni ishlab chiqishi kerak .

Tadqiqot loyihasi Freiburg universiteti, Fraunxofer amaliy Qattiq jismlar fizikasi instituti, Frayburg'ning barqarorligi markazi, shuningdek, Erlangen shahridagi Integrated TeleSystems and Device Technology Integrated TeleSystems and Device Technology uchun Fraunhofer instituti bilan yaqin hamkorlikda o'tkaziladi. Erlangen-da elektron tizimlar uchun yuqori samarali markaz. Universitet tadqiqotlari va dasturga asoslangan rivojlanish o'rtasidagi ushbu yangi hamkorlik shakli kelgusidagi loyihalar uchun hamkorlik modeliga aylanadi. "Bir tomondan, ushbu model asosiy tadqiqotlardan amaliy yo'naltirilgan rivojlanish natijalariga tezkorlik bilan o'tish orqali kompaniyalar bilan hamkorlikni osonlashtiradi, boshqa tomondan, ikkita turli hududdan texnik jihatdan bir-birini to'ldiruvchi Fraunhofer markazlari o'rtasida sinergiya ochadi va shu bilan birga yaxshilanadi "Yarimo'tkazuvchi sanoatning potentsial mijozlari uchun ularning takliflari ham", deydi Prof. Ambacher.