推动硅基电子产品发展的新材料

电子市场不断增长，对日益紧凑和高效的电力电子系统的需求也在不断增长。在可预见的将来，基于硅的主要电子元件将不再能够满足日益增长的工业需求。这就是为什么弗赖堡大学、弗赖堡可持续发展中心和弗劳恩霍夫·格塞尔沙夫特大学的科学家们联合起来探索一种新的材料结构，这种结构可能更适合未来的电力电子。最近启动的“节能电力电子功能性半导体结构研究”项目（简称“电力电子2020+”）研究了新型半导体材料氮化铝（scaln）。弗赖堡大学可持续系统工程系主任、电力电子教授奥利弗·安巴彻教授负责协调超区域合作。

三个关键因素是电子市场的强劲增长：工业的自动化和数字化，以及日益增强的生态责任意识和可持续发展进程。只有当电子系统在变得更强大的同时变得更节能和资源效率更高，才能降低功耗。

硅技术达到物理极限

到目前为止，硅主导着电子工业。硅以其相对低的成本和近乎完美的晶体结构，成为一种特别成功的半导体材料，也因为它的带隙既允许良好的电荷载流子浓度和速度，又允许良好的介电强度。然而，硅电子逐渐达到其物理极限。尤其是在所需的功率密度和紧凑性方面，硅功率电子元件不足。

创新的材料成分，提高功率和效率

氮化镓（GaN）作为电力电子中的半导体，已经克服了硅技术的局限性。与硅相比，氮化镓在高电压、高温和快速开关频率条件下表现更好。这与许多能源消耗应用的显著更高的能源效率密切相关，这意味着能源消耗的显著减少。弗劳恩霍夫IAF多年来一直在研究GaN作为电子元件和系统的半导体材料。在工业伙伴的帮助下，这些研究成果已经投入商业使用。该项目“电力电子2020+”的科学家们将更进一步，以再次提高下一代电子系统的能源效率和耐久性。为此，将使用一种不同且新颖的材料：氮化钪铝（scaln）。

基于scaln的第一个组件

scaln是一种具有高介电强度的压电半导体材料，其在微电子应用中的可用性在世界范围内几乎未被探索。”Ng博士解释说，由于其物理特性，氮化铝钪特别适合用于电力电子元件，这一事实已经得到证明。迈克尔·米库拉，弗劳恩霍夫国际机场项目经理。该项目的目标是在氮化镓层上生长晶格匹配的scaln，并使用由此产生的异质结构来处理具有高载流能力的晶体管。»基于大带隙材料的功能性半导体结构，如氮化钪铝和氮化镓，允许晶体管具有非常高的电压和电流。这些器件达到了更高的功率密度每芯片表面，以及更高的开关速度和更高的工作温度。这是降低开关损耗、提高能源效率和更紧凑系统的代名词，”弗劳恩霍夫国际机场主任奥利弗·安巴彻教授补充说。通过将Gan和scaln这两种材料结合起来，我们希望将设备的最大输出功率提高一倍，同时显著降低能源需求，”Mikulla说。

材料研究的开拓性工作

该项目最大的挑战之一是晶体生长，考虑到这种材料既没有生长配方，也没有经验值，存在着现有的结构。项目团队需要在接下来的几个月内开发这些，以获得可重复的结果，并生成可成功用于电力电子应用的层结构。

弗赖堡和爱尔兰根之间的专家协作和知识转移

该研究项目将在弗赖堡大学、弗劳恩霍夫应用固态物理研究所、弗赖堡可持续发展中心以及位于爱尔兰根的弗劳恩霍夫集成系统和设备技术研究所IISB之间密切合作，后者是电气高性能中心的成员。电子系统在爱尔兰根。大学研究与面向应用的发展之间的这种新的合作形式将成为未来项目合作的榜样。»一方面，这种模式通过将基础研究的成果迅速转化为面向应用的开发，促进了与企业的合作。另一方面，它打开了来自两个不同地区的两个技术互补的弗劳恩霍夫中心之间的协同效应，从而提高了它们对半导体行业潜在客户的报价~，Ambacher教授说。