실리콘 기반 전자 제품의 한계를 뛰어 넘는 새로운 소재

2019 년 1 월 21 일, Fraunhofer 응용 고체 물리학 연구소 IAF

Fraunhofer IAF는 GaN을 기반으로 한 전자 부품 및 시스템을 개발합니다. 이미지는 가공 된 GaN 웨이퍼를 보여줍니다. 신용 : Fraunhofer 응용 고체 물리학 연구소 IAF

전자 시장은 끊임없이 성장하고 있으며 점점 작고 효율적인 전력 전자 시스템에 대한 요구가 커지고 있습니다. 실리콘을 기반으로하는 주요 전자 부품은 당분간 증가하는 산업 요구 사항을 충족시킬 수 없습니다. 이것이 Freiburg 대학, Freiburg Sustainability Center 및 Fraunhofer-Gesellschaft의 과학자들이 미래의 전력 전자 장치에 더 적합 할 수있는 새로운 재료 구조를 탐구하기 위해 힘을 합친 이유입니다.

최근에 시작된 "에너지 효율적 전력 전자를위한 기능적 반도체 구조 연구"(간단히 "Power Electronics 2020+")는 새로운 반도체 재료 인 스칸듐 알루미늄 질화물 (ScAlN)을 연구합니다. 프라이 부르크 대학 (University of Freiburg)의 프라 잉 호퍼 (Fraunhofer) IAF 이사이자 지속 가능한 시스템 공학과 (INATECH)의 전력 전자 공학 교수 인 올리버 앰버 처 (Oliver Ambacher) 교수는 지역 협력을 조정합니다.

전자 시장 의 강력한 성장은 세 가지 핵심 요소입니다 : 산업의 자동화와 디지털화는 물론 생태계 책임과 지속 가능한 프로세스에 대한 인식 증가. 전자 시스템이 더 강력 해지면서 동시에 더 많은 에너지 및 자원 효율이 될 경우에만 전력 소비를 줄일 수 있습니다.

최신 실리콘은 전자 산업을 지배합니다. 상대적으로 낮은 비용과 거의 완벽한 결정 구조를 가진 실리콘은 밴드 갭이 우수한 전하 캐리어 농도와 속도 및 양호한 절연 내력을 허용하기 때문에 특히 성공적인 반도체 재료가되었습니다 . 그러나 실리콘 전자 장치는 점차적으로 물리적 한계에 도달합니다. 특히 요구되는 전력 밀도 및 소형화와 관련하여, 실리콘 전력 전자 부품은 불충분하다.

더 많은 전력 및 효율을위한 혁신적인 소재 구성

실리콘 기술의 한계는 전력 전자에서 반도체로서 질화 갈륨 (GaN)을 사용함으로써 이미 극복되었다. GaN은 실리콘에 비해 고전압, 고온 및 빠른 스위칭 주파수 조건에서 더 우수한 성능을 보입니다 . 이것은 에너지 효율성이 상당히 높으며 에너지 소비가 많은 응용 프로그램과 함께 사용되므로 에너지 소비가 크게 감소합니다. Fraunhofer IAF는 수년 동안 전자 부품 및 시스템 용 반도체 재료로 GaN을 연구 해왔다. 산업 파트너의 도움을 받아 이러한 연구 결과는 이미 상업적으로 사용되었습니다. "Power Electronics 2020+"프로젝트의 과학자들은 차세대 전자 시스템 의 에너지 효율과 내구성을 한 번 더 높이기 위해 더 나아갈 것입니다 . 이 목적을 위해, 새롭고 또 다른 재료 인 스칸듐 알루미늄 질화물 (ScAlN)이 사용될 것이다.

Fraunhofer IAF의 연구원 팀은 고주파 필터에서 수년 동안 사용하기 위해 ScAlN의 압전 특성을 연구하고 있습니다. 그림은 웨이퍼상의 이러한 장치의 특성을 보여줍니다. 신용 : Fraunhofer 응용 고체 물리학 연구소 IAF

ScAlN은 마이크로 일렉트로닉 어플리케이션에서 사용성과 관련하여 전 세계적으로 거의 알려지지 않은 높은 절연 내력을 가진 압전 반도체 소재입니다. "스칸듐 질화물이 물리적 특성 때문에 전력 전자 부품에 특히 적합하다는 사실은 이미 입증되었습니다"라고 Dr.-Ing는 설명합니다. Fraunhofer IAF의 프로젝트 매니저 인 Michael Mikulla. 이 프로젝트의 목표는 GaN 층에 격자와 일치하는 ScAlN을 성장시키고 결과적인 헤테로 구조를 사용하여 높은 전류 용량을 갖는 트랜지스터를 처리하는 것이다. "스칸듐 알루미늄 나이트 라이드와 질화 갈륨과 같이 밴드 갭이 큰 재료를 기반으로 한 기능적 반도체 구조는 매우 높은 전압과 전류를 갖는 트랜지스터를 허용하며,이 디바이스는 칩 표면 당 더 높은 전력 밀도는 물론 높은 스위칭 속도와 높은 작동 이것은 스위칭 손실을 낮추고 에너지 효율을 높이고 시스템을 더욱 소형화하는 것과 동의어이다. "라고 Fraunhofer IAF의 Oliver Ambacher 교수는 덧붙였다. "두 가지 재료 인 GaN과 ScAlN 을 결합함으로써 우리는 장치의 가능한 최대 출력을 두 배로 높이는 동시에 에너지 수요를 크게 낮추고 싶습니다."라고 Mikulla는 말합니다.

재료 연구의 선구적인 업적

이 프로젝트의 가장 큰 과제 중 하나는 아직이 소재에 대한 성장 레시피도 경험적 가치도없는 구조를 고려한 결정 성장입니다. 프로젝트 팀은 재현 가능한 결과를 얻고 전력 전자 응용 분야에 성공적으로 사용될 수있는 층 구조를 생산하기 위해 다음 달 동안이를 개발해야 합니다.

이 연구 프로젝트는 Freiburg 대학, Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF, Sustainability Center Freiburg 및 Erraangen의 Integrated Systems and Device Technology IISB에 대한 Fraunhofer Institure와 밀접하게 협력하여 진행될 것입니다. Erlangen의 고성능 전자 시스템 센터. 대학 연구와 응용 지향적 개발 간의 이러한 새로운 형태의 협력은 미래의 프로젝트 협력을위한 역할 모델이 될 것입니다. "한편,이 모델은 기본 연구에서 응용 지향적 개발로 신속하게 결과를 전달함으로써 기업과의 협력을 용이하게하며, 다른 두 지역의 두 가지 기술적으로 보완적인 프라운호퍼 센터 간의 시너지를 창출함으로써 향상시킵니다 두 가지 모두 반도체 산업의 잠재적 인 고객들에게 제공 할 수 있습니다. "라고 Ambacher 교수는 말합니다.