Il mercato dell'elettronica è in continua crescita e così anche la richiesta di sistemi elettronici di potenza sempre più compatti ed efficienti. I componenti elettronici predominanti basati sul silicio nel prossimo futuro non saranno più in grado di soddisfare le crescenti esigenze industriali. Ecco perché gli scienziati dell'università di Friburgo, il Sustainability Center Freiburg e la Fraunhofer-Gesellschaft hanno unito le forze per esplorare una nuova struttura del materiale che potrebbe essere più adatta per l'elettronica di potenza futura.

Il progetto "Research of Functional Semiconductor Structures for Energy Efficient Power Electronics" (in breve "Power Electronics 2020+"), lanciato di recente, ricerca il nuovo materiale semiconduttore al nitruro di alluminio di scandio (ScAlN). Prof. Dott. Oliver Ambacher, direttore del Fraunhofer IAF e professore di elettronica di potenza presso il Dipartimento di ingegneria dei sistemi sostenibili (INATECH) dell'università di Friburgo, coordina la collaborazione sovraregionale.

Tre fattori chiave sono responsabili della forte crescita del mercato dell'elettronica:l'automazione e la digitalizzazione dell'industria, nonché la crescente consapevolezza della responsabilità ecologica e dei processi sostenibili. Il consumo di energia può essere ridotto solo se i sistemi elettronici diventano più efficienti in termini di energia e risorse nello stesso tempo in cui diventano più potenti.

Aggiornato, il silicio domina l'industria elettronica. Con il suo costo relativamente basso e una struttura cristallina quasi perfetta, il silicio è diventato un materiale semiconduttore di particolare successo, anche perché il suo bandgap consente sia una buona concentrazione e velocità dei portatori di carica sia una buona rigidità dielettrica. Però, l'elettronica al silicio raggiunge gradualmente il suo limite fisico. Soprattutto per quanto riguarda la densità di potenza e la compattezza richieste, i componenti elettronici di potenza al silicio sono insufficienti.

Composizione innovativa del materiale per maggiore potenza ed efficienza

I limiti della tecnologia del silicio sono già stati superati dall'uso del nitruro di gallio (GaN) come semiconduttore nell'elettronica di potenza. GaN si comporta meglio in condizioni di alte tensioni, alte temperature e frequenze di commutazione veloci rispetto al silicio. Ciò va di pari passo con un'efficienza energetica significativamente più elevata, con numerose applicazioni che consumano energia, questo significa una significativa riduzione dei consumi energetici. Fraunhofer IAF ha studiato GaN come materiale semiconduttore per componenti e sistemi elettronici per molti anni. Con l'aiuto di partner industriali, i risultati di questi lavori di ricerca sono già stati utilizzati per scopi commerciali. Gli scienziati del progetto "Power Electronics 2020+" andranno ancora oltre per migliorare ancora una volta l'efficienza energetica e la durata della prossima generazione di sistemi elettronici. Per questo scopo, verrà utilizzato un materiale diverso e nuovo:il nitruro di alluminio scandio (ScAlN).

ScAlN è un materiale semiconduttore piezoelettrico con un'elevata rigidità dielettrica che è largamente inesplorato in tutto il mondo per quanto riguarda la sua usabilità in applicazioni microelettroniche. "Il fatto che il nitruro di alluminio scandio sia particolarmente adatto per i componenti elettronici di potenza, per le sue proprietà fisiche, è già stato dimostrato, " spiega il Dr.-Ing. Michael Mikulla, project manager da parte di Fraunhofer IAF. Lo scopo del progetto è di far crescere ScAlN reticolato su uno strato di GaN e di utilizzare le eterostrutture risultanti per elaborare transistor con elevata capacità di trasporto di corrente. "Strutture funzionali a semiconduttore basate su materiali con un ampio gap di banda, come nitruro di alluminio scandio e nitruro di gallio, consentono transistor con tensioni e correnti molto elevate. Questi dispositivi raggiungono una densità di potenza più elevata per superficie del chip, nonché velocità di commutazione più elevate e temperature di esercizio più elevate. Questo è sinonimo di minori perdite di commutazione, maggiore efficienza energetica e sistemi più compatti, " aggiunge il Prof. Dr. Oliver Ambacher, direttore del Fraunhofer IAF. "Combinando entrambi i materiali, GaN e ScAlN, vogliamo raddoppiare la massima potenza di uscita possibile dei nostri dispositivi e allo stesso tempo ridurre significativamente la domanda di energia, "dice Mikulla.

Lavoro pionieristico nella ricerca sui materiali

Una delle maggiori sfide del progetto è la crescita dei cristalli, considerando che non esistono strutture né ricette di crescita né valori empirici per questo materiale, ancora. Il team del progetto deve svilupparli nei prossimi mesi per ottenere risultati riproducibili e produrre strutture a strati che possano essere utilizzate con successo per applicazioni elettroniche di potenza.

Il progetto di ricerca sarà condotto in stretta collaborazione tra l'Università di Friburgo, il Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF, il Centro per la sostenibilità di Friburgo e il Fraunhofer Institure for Integrated Systems and Device Technology IISB di Erlangen, che è membro del Centro ad alte prestazioni per i sistemi elettronici di Erlangen. Questa nuova forma di collaborazione tra ricerca universitaria e sviluppo orientato all'applicazione servirà da modello per la futura cooperazione progettuale. "Da una parte, questo modello facilita la cooperazione con le aziende attraverso il tempestivo trasferimento dei risultati dalla ricerca di base allo sviluppo orientato all'applicazione. D'altra parte, apre sinergie tra due centri Fraunhofer tecnicamente complementari di due diverse regioni e migliora così sia le loro offerte per i potenziali clienti dell'industria dei semiconduttori, "dice il prof. Ambacher.