シリコンベースのエレクトロニクスの限界を押し広げる新材料

2019年1月21日、フラウンホーファー応用物理物理研究所IAF

フラウンホーファーIAFは、GaNをベースにした電子部品とシステムを開発しています。 画像は処理されたGaNウェハを示しています。 クレジット：フラウンホーファー応用物理物理研究所IAF

エレクトロニクス市場は絶えず成長しているので、ますますコンパクトで効率的なパワーエレクトロニクスシステムに対する需要もあります。 シリコンベースの優勢な電子部品は、近い将来、増大する産業上の要求を満たすことができなくなるでしょう。 これが、フライブルク大学、サステイナビリティセンター、フライブルク、フラウンホーファー - ゲゼルシャフトの科学者たちが、将来のパワーエレクトロニクスに適した新しい材料構造を探究するために力を合わせた理由です。

最近立ち上げられたプロジェクト「エネルギー効率の高いパワーエレクトロニクスのための機能的半導体構造の研究」（要するに「パワーエレクトロニクス2020+」）は、新規の半導体材料である窒化スカンジウムアルミニウム（ScAlN）を研究している。 フラウンホーファーIAFの所長でフライブルク大学の持続可能なシステム工学科（INATECH）のパワーエレクトロニクス教授であるDr. Oliver Ambacherは、地域を超えた共同研究を調整しています。

エレクトロニクス市場の 力強い成長には、3つの重要な要素が あります。それは、産業の自動化とデジタル化、そして生態学的責任と持続可能なプロセスに対する意識の高まりです。 電子システムがより強力になると同時に、電子システムのエネルギー効率とリソース効率がより高くなる場合にのみ、電力消費量を減らすことができます。

今日まで、シリコンはエレクトロニクス産業を支配しています。 その比較的低いコストおよびほぼ完全な結晶構造により、そのバンドギャップが良好な電荷キャリア濃度および速度ならびに 良好な絶縁耐力の 両方を可能にするので、シリコンは特に成功した半導体材料となった 。 しかし、シリコンエレクトロニクスは徐々にその物理的限界に達しています。 特に要求される電力密度およびコンパクトさに関して、シリコンパワー電子部品は不十分である。

さらなる電力と効率のための革新的な材料構成

シリコン技術の限界は、パワーエレクトロニクスの半導体として窒化ガリウム（ＧａＮ）を使用することによって既に克服されている。 ＧａＮは 、 シリコン と比較して 、 高 電圧、 高温 および高速スイッチング周波数の 条件においてより良好に機能する 。 これは、非常に高いエネルギー効率と密接に関係しています - 多くのエネルギーを消費するアプリケーションでは、これはエネルギー消費の大幅な削減を意味します。 フラウンホーファーIAFは、長年にわたり電子部品およびシステム用の半導体材料としてGaNを研究してきました。 産業界のパートナーの助けを借りて、これらの研究の成果はすでに商業的に利用されています。 「Power Electronics 2020+」プロジェクトの科学者たちは、次世代の 電子システム のエネルギー効率と耐久性をもう一度高めるためにさらに進むでしょう 。 この目的のために、異なる新規の材料、すなわちスカンジウムアルミニウムナイトライド（ＳｃＡｌＮ）が使用される。

フラウンホーファーIAFの研究チームは、長年にわたり高周波フィルタで使用するためにScAlNの圧電特性に取り組んできました。 写真は、ウェハ上のそのようなデバイスの特性評価を示しています。 クレジット：フラウンホーファー応用物理物理研究所IAF

ＳｃＡｌＮは、マイクロエレクトロニクス用途におけるその有用性に関して世界的にはほとんど研究されていない高い絶縁耐力を有する圧電半導体材料である。 「窒化スカンジウムアルミニウムがその物理的特性のためにパワーエレクトロニクス部品に特によく適しているという事実はすでに証明されている」とDr.-Ingは説明する。 Fraunhofer IAFのプロジェクトマネージャ、Michael Mikulla。 このプロジェクトの目的は、GaN層上に格子整合したScAlNを成長させ、得られたヘテロ構造を使用して、高い電流容量を持つトランジスタを処理することです。 「スカンジウムアルミニウムナイトライドやガリウムナイトライドのような大きなバンドギャップを持つ材料に基づく機能性半導体構造は、非常に高い電圧と電流を持つトランジスタを可能にします。フラウンホーファーIAFの所長であるDr. Oliver Ambacherは、次のように述べています。 「 GaNとScAlNの 両方の 材料 を組み合わせること で、デバイスの最大可能出力電力を2倍にし、同時にエネルギー需要を大幅に削減したい」とMikulla氏は言います。

材料研究における先駆的研究

プロジェクトの最大の課題の1つは、結晶の成長です。これは、まだ存在しない構造であるため、この材料には成長レシピも経験値もありません。 プロジェクトチームは、再現可能な結果に到達し、 パワー エレクトロニクス用途に うまく使用できる層構造を作り出すために、来月中にこれらを開発する必要があり ます。

この研究プロジェクトは、フライブルク大学、フラウンホーファー応用物理物理研究所IAF、サスティナビリティセンター・フライブルク、およびエアランゲンにあるフラウンホーファー研究所のデバイス技術研究所IISBの間で密接に協力して行われます。エアランゲンの電子システム用高性能センター 大学の研究とアプリケーション指向の開発との間のこの新しい形態の共同作業は、将来のプロジェクト協力のための役割モデルとして役立つでしょう。 「一方で、このモデルは基礎研究からアプリケーション指向開発への結果の迅速な転送を通して企業との協力を促進します。一方で、それは2つの異なる地域からの2つの技術的に補完的なフラウンホーファーセンター間の相乗効果を切り開きます。どちらも半導体業界の潜在的な顧客に対するオファーです」とAmbacher教授は言います。