Nowy materiał, który zastąpi krzem, a nawet GaN

Krzem zdecydowanie dominuje w energoelektronice. Jednak w niedalekiej przeszłości, jak przewidują inżynierowie i naukowcy (min. z Fraunhofer-Gesellschaft), nie będzie on w stanie spełnić rosnących wymagań dla tego typu aplikacji. Naukowcy i inżynierowie z różnych ośrodków badawczych połączyli siły, w celu opracowania nowoczesnego materiału o nowatorskiej, oryginalnej strukturze. Materiał ten ma spełnić wymagania stawiane przez przyszłościowe komponenty mocy, które odnaleźć się mają min. w przemyśle. Mowa tu o bardzo obiecującym w tym kontekście: ScAlN. Ale o nim więcej za moment. Główne czynniki stojące za rozwojem na rynku elektroniki można podzielić na dwie sekcje: chęć cyfryzacji i automatyzacji różnych procesów, w tym głównie przemysłowych, a także rosnąca świadomość w zakresie ekologii oraz zrównoważenie procesów. Zużycie energii można redukować tylko wtedy, gdy zwiększymy efektywność energetyczną i zasobową różnych systemów oraz aplikacji elektronicznych. Krzem jak dotąd dominuje w przemyśle elektronicznym. Do jego głównych zalet należy niski koszt i niemal doskonała struktura krystaliczna. Jest również bardzo skutecznym materiałem półprzewodnikowym dającym spore możliwości. Jednak powoli dochodzimy do granic fizycznych, jakie stawia ten materiał i technologie z nim związane. Tyczy się to min. gęstości mocy. Wpływa to znacznie na kompaktowość tworzonych aplikacji i to, jak są lub będą dalej budowane. Bardzo obiecujący w tym względzie był azotek galu (GaN), który już teraz pokonuje pewne ograniczenia krzemu. GaN wykazuje większą wydajność przy niższych napięciach, wyższych temperaturach i częstotliwościach, co skutkuje osiąganiem większej efektywności energetycznej. Przekłada się to oczywiście na mniejsze zużycie (straty) energii. Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics (IAF) od lat pracuje nad półprzewodnikowymi strukturami GaN, opracowując technologie przyszłości dla wielu komponentów i systemów elektronicznych. Efekty tych prac można już odnaleźć na rynku, dzięki współpracy z różnymi partnerami przemysłowymi. W nowo wystartowanym projekcie „Power Electronics 2020+”, naukowcy chcą pójść o krok dalej, by jeszcze bardziej zwiększyć efektywność energetyczną i żywotność komponentów, oraz systemów elektronicznych. Aby to osiągnąć skupiono się na zupełnie nowym materiale: Scandium aluminium nitride (ScAlN). Jest to materiał, który w żaden sposób nie pojawił się jeszcze w zastosowaniach przemysłowych i mikroelektronice. To piezoelektryczny materiał półprzewodnikowy o dużej sile dielektrycznej. Ze względu na swoje właściwości fizyczne wykazuje spory potencjał w energoelektronice, jak podaje Michael Mikulla, project manager w Fraunhofer IAF. Prace skupiają się na wytworzeniu odpowiednich struktur ScAlN na warstwie GaN, generując heterostruktury mające stanowić podstawę dla nowoczesnych tranzystorów. Ma to dać możliwość pracy nie tylko z bardzo dużymi wartościami prądowymi, ale także napięciowymi. Komponenty na tym oparte mają osiągnąć rekordowe gęstości mocy, a także możliwość pracy z bardzo dużą częstotliwością przełączania, nawet w rekordowo wysokich temperaturach. To potencjał, jaki oferować ma ta technologia, i to na takim wczesnym etapie. To w efekcie przełoży się na kompaktowy rozmiar, bardzo dużą efektywność energetyczną, jak również niski poziom strat, jak wyjaśnia Oliver Ambacher z Fraunhofer IAF i profesor na INATECH na Uniwersytecie Freiburg. Jednym z głównych celów krótkoterminowych (tzn wyznaczonych na bliską przyszłość) jest podwojenie maksymalnej mocy wyjściowej osiąganej przez analogiczne komponenty tradycyjne. Niemałym wyzwaniem w osiągnięciu celu jest wyhodowanie odpowiedniej struktury kryształowej. Jest to zupełnie nowy materiał, więc nie istnieją receptury i przepisy, które pozwalają osiągnąć zamierzony efekt. Naukowców czeka więc żmudna praca, by osiągnąć cel i odpowiednie wyniki, w tym oczekiwaną strukturę warstwową, którą będzie można przełożyć na wykorzystanie przemysłowe. Szacuje się, że proces ten potrwać może nawet kilka miesięcy.