Novo material para empurrar os limites da eletrônica baseada em silício

21 de janeiro de 2019, Instituto Fraunhofer de Física dos Estados Sólidos Aplicados IAF

Fraunhofer IAF desenvolve componentes eletrônicos e sistemas baseados em GaN. A imagem mostra uma bolacha de GaN processada. Crédito: Instituto Fraunhofer de Física Aplicada do Estado Sólido IAF

O mercado de eletrônicos está crescendo constantemente e a demanda por sistemas eletrônicos de energia cada vez mais compactos e eficientes. Os componentes eletrônicos predominantes baseados em silício, no futuro previsível, não poderão mais atender aos crescentes requisitos industriais. É por isso que cientistas da Universidade de Freiburg, o Centro de Sustentabilidade Freiburg e a Fraunhofer-Gesellschaft uniram forças para explorar uma nova estrutura material que pode ser mais adequada para a futura eletrônica de potência.

O recém-lançado projeto "Pesquisa de Estruturas Funcionais de Semicondutores para Eletrônica de Potência Eficiente em Energia" (em resumo "Power Electronics 2020+") pesquisa o novo material semicondutor de escândio de nitreto de alumínio (ScAlN). Prof. Dr. Oliver Ambacher, diretor da Fraunhofer IAF e professor de eletrônica de potência no Departamento de Engenharia de Sistemas Sustentáveis (INATECH) da Universidade de Freiburg, coordena a colaboração supra-regional.

Três fatores-chave são responsáveis pelo forte crescimento do mercado de eletrônicos : a automação e a digitalização da indústria, bem como a crescente conscientização sobre responsabilidade ecológica e processos sustentáveis. O consumo de energia só pode ser reduzido se os sistemas eletrônicos se tornarem mais eficientes em termos de energia e recursos ao mesmo tempo em que se tornam mais poderosos.

Até o momento, o silício domina a indústria eletrônica. Com seu custo relativamente baixo e uma estrutura de cristal quase perfeita, o silício tornou-se um material semicondutor particularmente bem-sucedido, também porque seu bandgap permite uma boa concentração e velocidade da portadora de carga, bem como uma boa rigidez dielétrica. No entanto, a eletrônica de silício atinge gradualmente seu limite físico. Especialmente em relação à densidade e compactação de potência exigidas, os componentes eletrônicos de energia de silício são insuficientes.

Composição de materiais inovadores para mais potência e eficiência

As limitações da tecnologia de silício já foram superadas pelo uso de nitreto de gálio (GaN) como um semicondutor em eletrônica de potência. O GaN apresenta melhor desempenho em condições de altas voltagens, altas temperaturas e freqüências de comutação rápida em comparação ao silício . Isso vai de mãos dadas com eficiência energética significativamente maior - com inúmeras aplicações que consomem energia, isso significa uma redução significativa no consumo de energia. A Fraunhofer IAF tem pesquisado o GaN como um material semicondutor para componentes eletrônicos e sistemas por muitos anos. Com a ajuda de parceiros industriais, os resultados desses trabalhos de pesquisa já foram colocados em uso comercial. Os cientistas do projeto "Power Electronics 2020+" irão ainda mais longe para aumentar a eficiência energética e a durabilidade da próxima geração de sistemas eletrônicos . Para este propósito, um material novo e diferente será usado: escândio de nitreto de alumínio (ScAlN).

Uma equipe de pesquisadores da Fraunhofer IAF tem trabalhado nas propriedades piezelétricas da ScAlN para uso em filtros de alta frequência por muitos anos. A imagem mostra a caracterização de tais dispositivos em uma bolacha. Crédito: Instituto Fraunhofer de Física Aplicada do Estado Sólido IAF

ScAlN é um material semicondutor piezoelétrico com uma alta rigidez dielétrica que é amplamente inexplorada em todo o mundo no que diz respeito à sua usabilidade em aplicações microeletrônicas. "O fato de que o escândio de nitreto de alumínio é especialmente adequado para componentes eletrônicos de potência, devido às suas propriedades físicas, já foi comprovado", explica Dr.-Ing. Michael Mikulla, gerente de projetos da Fraunhofer IAF. O objetivo do projeto é desenvolver o ScAlN de treliça em uma camada de GaN e usar as heteroestruturas resultantes para processar transistores com alta capacidade de carga de corrente. "Estruturas semicondutoras funcionais baseadas em materiais com um grande bandgap, tais como nitreto de alumínio escândio e nitreto de gálio, permitem transistores com tensões e correntes muito altas. Estes dispositivos atingem uma maior densidade de potência por superfície de cavacos, bem como maiores velocidades de comutação e maior Isso é sinônimo de menores perdas de chaveamento, maior eficiência energética e sistemas mais compactos ", acrescenta o Prof. Dr. Oliver Ambacher, diretor da Fraunhofer IAF. "Combinando ambos os materiais , GaN e ScAlN, queremos dobrar a máxima potência de saída possível de nossos dispositivos e, ao mesmo tempo, reduzir significativamente a demanda de energia", diz Mikulla.

Trabalho pioneiro na pesquisa de materiais

Um dos maiores desafios do projeto é o crescimento de cristais, considerando que não existe estrutura nem receitas de crescimento nem valores empíricos para este material. A equipe do projeto precisa desenvolvê-los durante os próximos meses para alcançar resultados reproduzíveis e produzir estruturas de camadas que possam ser usadas com sucesso em aplicações de energia elétrica.

O projeto de pesquisa será conduzido em estreita cooperação entre a Universidade de Friburgo, o Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF, o Sustainability Center Freiburg, bem como a Fraunhofer Institure for Integrated Systems and Device Technology IISB em Erlangen, que é membro da o Centro de Alto Desempenho para Sistemas Eletrônicos em Erlangen. Essa nova forma de colaboração entre a pesquisa universitária e o desenvolvimento orientado para a aplicação deve servir como um modelo para a futura cooperação do projeto. "Por um lado, este modelo facilita a cooperação com as empresas através da rápida transferência de resultados da pesquisa básica para o desenvolvimento orientado para aplicações. Por outro lado, abre sinergias entre dois centros Fraunhofer tecnicamente complementares de duas regiões diferentes e, portanto, melhora ambas as ofertas para os clientes potenciais da indústria de semicondutores ", diz o Prof. Ambacher.