Materi baru untuk mendorong batas elektronik berbasis silikon

21 Januari 2019, Institut Fraunhofer untuk Fisika Solid State Terapan IAF

Fraunhofer IAF mengembangkan komponen dan sistem elektronik berdasarkan GaN. Gambar menunjukkan wafer GaN yang diproses. Kredit: Lembaga Fraunhofer untuk Fisika Solid State Terapan IAF

Pasar elektronik terus tumbuh dan demikian pula permintaan akan sistem elektronik daya yang semakin kompak dan efisien. Komponen elektronik utama berbasis silikon akan di masa mendatang tidak lagi dapat memenuhi kebutuhan industri yang meningkat. Inilah sebabnya mengapa para ilmuwan dari universitas Freiburg, Pusat Keberlanjutan Freiburg dan Fraunhofer-Gesellschaft telah bergabung untuk mengeksplorasi struktur material baru yang mungkin lebih cocok untuk elektronik daya masa depan.

Proyek yang baru-baru ini diluncurkan "Penelitian Struktur Semikonduktor Fungsional untuk Elektronik Hemat Energi" (singkatnya "Power Electronics 2020+") meneliti bahan semikonduktor novel skandium aluminium nitride (ScAlN). Oliver Ambacher, direktur Fraunhofer IAF dan profesor elektronika daya di Departemen Teknik Sistem Berkelanjutan (INATECH) dari universitas Freiburg, mengoordinasikan kolaborasi supra-regional.

Tiga faktor utama bertanggung jawab atas pertumbuhan kuat pasar elektronik : otomatisasi dan digitalisasi industri serta meningkatnya kesadaran akan tanggung jawab ekologis dan proses berkelanjutan. Konsumsi daya hanya dapat diturunkan jika sistem elektronik menjadi lebih hemat energi dan sumber daya saat mereka menjadi lebih kuat.

Up to date, silikon mendominasi industri elektronik. Dengan biaya relatif rendah dan struktur kristal yang hampir sempurna, silikon telah menjadi bahan semikonduktor yang sangat sukses, juga karena celah pita memungkinkan untuk konsentrasi dan kecepatan pembawa muatan yang baik serta kekuatan dielektrik yang baik. Namun, silikon elektronik secara bertahap mencapai batas fisiknya. Terutama berkenaan dengan kepadatan dan kekompakan daya yang dibutuhkan, komponen elektronik daya silikon tidak cukup.

Komposisi Bahan Inovatif untuk Lebih Banyak Kekuatan dan Efisiensi

Keterbatasan teknologi silikon telah diatasi dengan penggunaan gallium nitride (GaN) sebagai semikonduktor dalam elektronika daya. GaN berkinerja lebih baik dalam kondisi tegangan tinggi , suhu tinggi dan frekuensi switching cepat dibandingkan dengan silikon . Ini sejalan dengan efisiensi energi yang jauh lebih tinggi — dengan banyak aplikasi yang memakan energi, ini berarti pengurangan yang signifikan dalam konsumsi energi. Fraunhofer IAF telah meneliti GaN sebagai bahan semikonduktor untuk komponen dan sistem elektronik selama bertahun-tahun. Dengan bantuan mitra industri, hasil kerja penelitian ini telah digunakan secara komersial. Para ilmuwan proyek "Power Electronics 2020+" akan melangkah lebih jauh untuk sekali lagi meningkatkan efisiensi energi dan daya tahan sistem elektronik generasi mendatang . Untuk tujuan ini, bahan yang berbeda dan novel akan digunakan: skandium aluminium nitride (ScAlN).

Sebuah tim peneliti di Fraunhofer IAF telah bekerja pada sifat piezoelektrik dari ScAlN untuk digunakan dalam filter frekuensi tinggi selama bertahun-tahun. Gambar menunjukkan karakterisasi perangkat tersebut pada wafer. Kredit: Lembaga Fraunhofer untuk Fisika Solid State Terapan IAF

ScAlN adalah bahan semikonduktor piezoelektrik dengan kekuatan dielektrik tinggi yang sebagian besar belum dijelajahi di seluruh dunia sehubungan dengan kegunaannya dalam aplikasi mikroelektronika. "Fakta bahwa skandium aluminium nitrida sangat cocok untuk komponen elektronik daya, karena sifat fisiknya, telah terbukti," jelas Dr.-Ing. Michael Mikulla, manajer proyek di pihak Fraunhofer IAF. Tujuan dari proyek ini adalah untuk menumbuhkan ScAlN yang sesuai dengan kisi pada lapisan GaN dan menggunakan heterostruktur yang dihasilkan untuk memproses transistor dengan daya dukung arus yang tinggi. "Struktur semikonduktor fungsional yang didasarkan pada bahan dengan celah pita besar, seperti skandium aluminium nitrida dan gallium nitrida, memungkinkan transistor dengan voltase dan arus yang sangat tinggi. Perangkat ini mencapai kepadatan daya yang lebih tinggi per permukaan chip serta kecepatan switching yang lebih tinggi dan operasi yang lebih tinggi Ini bersinonim dengan kehilangan switching yang lebih rendah, efisiensi energi yang lebih tinggi, dan sistem yang lebih kompak, "tambah Prof. Dr. Oliver Ambacher, direktur Fraunhofer IAF. "Dengan menggabungkan kedua bahan , GaN dan ScAlN, kami ingin menggandakan kekuatan output maksimal yang mungkin dari perangkat kami sementara pada saat yang sama secara signifikan menurunkan permintaan energi," kata Mikulla.

Pekerjaan Perintis dalam Penelitian Material

Salah satu tantangan terbesar dari proyek ini adalah pertumbuhan kristal, mengingat bahwa ada struktur tidak ada resep pertumbuhan atau nilai-nilai empiris untuk bahan ini, belum. Tim proyek perlu mengembangkan ini selama beberapa bulan ke depan untuk mencapai hasil yang dapat direproduksi dan untuk menghasilkan struktur lapisan yang dapat berhasil digunakan untuk aplikasi daya elektronik.

Proyek penelitian akan dilakukan dalam kerja sama erat antara universitas Freiburg, Institut Fraunhofer untuk Fisika Solid State Terapan IAF, Pusat Keberlanjutan Freiburg serta Institusi Fraunhofer untuk Sistem Terpadu dan Teknologi Perangkat IISB di Erlangen, yang merupakan anggota dari Pusat Kinerja Tinggi untuk Sistem Elektronik di Erlangen. Bentuk baru kolaborasi antara penelitian universitas dan pengembangan berorientasi aplikasi ini akan berfungsi sebagai model peran untuk kerja sama proyek di masa depan. "Di satu sisi, model ini memfasilitasi kerja sama dengan perusahaan melalui transfer cepat hasil dari penelitian dasar ke pengembangan berorientasi aplikasi. Di sisi lain, ini membuka sinergi antara dua Pusat Fraunhofer yang saling melengkapi secara teknis dari dua daerah yang berbeda dan dengan demikian meningkatkan keduanya menawarkan bagi pelanggan potensial industri semikonduktor, "kata Prof. Ambacher.