創(chuàng)新的材料組合提供更高的功率和效率

隨著對(duì)電力電子系統(tǒng)日益緊湊和高效的需求不斷增長(zhǎng)，同時(shí)由于硅電子器件在應(yīng)用中已不能夠完全滿(mǎn)足當(dāng)前的工業(yè)需求，因此弗萊堡大學(xué)、德國(guó)佛萊堡永續(xù)中心以及弗勞恩霍夫應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會(huì)準(zhǔn)備聯(lián)手探索更適合未來(lái)電力電子產(chǎn)品的新材料結(jié)構(gòu)。

在最近項(xiàng)目“節(jié)能電力電子功能半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)研究”（'Power Electronics 2020+'）中正在研究一種新型半導(dǎo)體材料——鈧氮化鋁（ScAlN）。德國(guó)夫瑯和費(fèi)應(yīng)用固體物理研究所（IAF）主任、弗萊堡大學(xué)可持續(xù)系統(tǒng)工程系（INATECH）電力電子學(xué)教授Oliver Ambacher正在協(xié)調(diào)超區(qū)域合作。

當(dāng)前影響電子市場(chǎng)強(qiáng)勁增長(zhǎng)的三個(gè)關(guān)鍵因素是：行業(yè)的自動(dòng)化與數(shù)字化、對(duì)生態(tài)責(zé)任意識(shí)的日益提高以及可持續(xù)性工藝。當(dāng)電子系統(tǒng)在提高能源效率和資源效率的同時(shí)增強(qiáng)功率，功耗將會(huì)降低。

硅技術(shù)到達(dá)了物理發(fā)展極限

硅的成本相對(duì)較低，同時(shí)其晶體結(jié)構(gòu)是幾乎完美的，特別是因?yàn)槠鋷犊梢詫?shí)現(xiàn)良好的載流子濃度和速度以及良好的介電強(qiáng)度，因此在電子工業(yè)中一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。然而，硅電子產(chǎn)品已逐漸達(dá)到其物理極限。特別是在所需的功率密度和緊湊性方面，硅功率電子元件暴露出明顯的缺陷。

創(chuàng)新的材料組合提供更高的功率和效率

目前，通過(guò)將氮化鎵（GaN）用于功率電子器件已經(jīng)克服了硅技術(shù)的局限性。與硅相比，GaN在高電壓，高溫和快速開(kāi)關(guān)頻率下表現(xiàn)展示出更優(yōu)良的性能。這也就意味著這類(lèi)器件在眾多耗能應(yīng)用中會(huì)擁有更高的能源效率，能源消耗也會(huì)有顯著的降低。多年來(lái)，IAF一直致力于研究用于電子元件和系統(tǒng)的GaN。在工業(yè)合作伙伴的幫助下，這項(xiàng)研究工作的成果已經(jīng)投入商業(yè)用途。在Power Electronics 2020+項(xiàng)目中，該研究將進(jìn)一步發(fā)展，以提高下一代電子系統(tǒng)的能效和耐用性。因此，研究團(tuán)隊(duì)將新型材料：氮化鈧（ScAlN）引入到本項(xiàng)研究中。

晶圓上基于ScAlN的高頻濾波器的表征。 ?Fraunhofer IAF

第一個(gè)基于ScAlN的組件

ScAlN是一種具有高介電強(qiáng)度的壓電半導(dǎo)體材料，就其在微電子應(yīng)用中的可用性而言，在世界范圍內(nèi)很大程度上尚未開(kāi)發(fā)。“由于其物理特性，鈧氮化鋁特別適用于電力電子元件，這一事實(shí)已經(jīng)得到證實(shí)，”IAF項(xiàng)目經(jīng)理Michael Mikulla博士指出。該項(xiàng)目的目標(biāo)是在GaN層上生長(zhǎng)晶格匹配的ScAlN，并使用所得的異質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)處理具有高載流能力的晶體管。“基于具有大帶隙的材料的功能半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) - 例如氮化鈧和氮化鎵 - 可以使晶體管具有非常高的電壓和電流，”IAF主任Oliver Ambacher教授說(shuō)?！斑@些器件的芯片表面功率密度更高，開(kāi)關(guān)速度更快，工作溫度更高；這也就意味著其開(kāi)關(guān)損耗更低，能效更高，系統(tǒng)更簡(jiǎn)潔、緊湊“他補(bǔ)充道?！巴ㄟ^(guò)結(jié)合GaN和ScAlN兩種材料，我們希望可以成倍增加器件的最大可能輸出功率，并能夠顯著降低能耗”Mikulla說(shuō)。

材料研究的開(kāi)創(chuàng)性工作

考慮到迄今為止這種材料的增長(zhǎng)配方和經(jīng)驗(yàn)值都沒(méi)有，因此該項(xiàng)目中晶體生長(zhǎng)是目前面臨的最大挑戰(zhàn)之一。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將會(huì)在未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)對(duì)進(jìn)行晶體生長(zhǎng)研究，以期盼獲得可重復(fù)的結(jié)果，并生成可成功用于電力電子應(yīng)用的層結(jié)構(gòu)。

弗萊堡與埃朗根之間的專(zhuān)家合作和知識(shí)轉(zhuǎn)移

該研究項(xiàng)目將由弗萊堡大學(xué)，夫瑯和費(fèi)應(yīng)用固體物理研究所（IAF），德國(guó)佛萊堡永續(xù)中心以及埃爾蘭根的弗勞恩霍夫弗勞恩霍夫系統(tǒng)集成和元件研究所（IISB）進(jìn)行密切合作。學(xué)術(shù)研究和面向應(yīng)用的發(fā)展之間的這種新型合作方式將成為未來(lái)項(xiàng)目合作的典范。

“一方面，這種模式通過(guò)將基礎(chǔ)研究成果迅速轉(zhuǎn)移到實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展，促進(jìn)了科研機(jī)構(gòu)與公司的深度合作。 另一方面，它開(kāi)辟了不同地區(qū)、不同技術(shù)上互補(bǔ)的協(xié)同效應(yīng)，從而改善了他們?yōu)榘雽?dǎo)體行業(yè)的潛在客戶(hù)提供的服務(wù)水平“Ambacher說(shuō)。