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氮化钪(ScAlN)-推动硅基电子产品超越极限的新材料

2019-09-06来源:婉清说旅游


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弗劳恩霍夫应用固体物理研究所提出新型材料:氮化钪(ScAlN)的研究和制备方法,有望推动现有硅基元件跨越性能极限。

基于GaN的电子元件和系统。该图显示了经处理的GaN晶片。图片来源:弗劳恩霍夫应用固体物理研究所


随着电子市场的不断发展,消费群体对日益紧凑和高效的电力电子系统的需求也在不断增长。硅基电子元件在可预见的未来将不再能够满足日益增长的工业要求,这也是业界科学家探索更适合未来电力电子的新材料的重要原因。


影响电子市场强劲增长的三个关键因素是:行业的自动化和数字化、业界生态的可持续性以及日益增强的认识。如果希望电子系统在变得更加强大的同时又提高效率,只有一个办法就是降低功耗。迄今为止,由于相对低的成本和几乎完美的晶体结构、较高的电荷载流子浓度、速度以及良好的介电强度,硅已经成为最成功的的半导体材料,硅基元件成为电子行业的主导。但是,随着晶体密度的增加,硅材料逐渐逼近其物理极限,特别是在功率密度和紧凑性方面,硅功率电子元件存在严重不足。


通过在电力电子中使用氮化镓(GaN),已经克服了硅技术的局限性。与硅相比,GaN在高电压、高温和快速开关频率的条件下表现出了优异特性。“电力电子2020+”项目的科学家们希望进一步开展研究,以便再次提高下一代电子系统的能效和耐用性。为达此目的,他们将使用新型材料:氮化钪(ScAlN)。


项目研究人员多年来一直致力于研究ScAlN的压电特性,用作高频滤波器。该图显示了晶圆上此类器件的特性


ScAlN是一种具有高介电强度的压电半导体材料,就其在微电子应用中的可用性而言,研究刚刚起步。


由于其物理特性,钪氮化铝特别适用于电力电子元件。研究团队的目标是在GaN层上生长晶格匹配的ScAlN,并使用所得的异质结构来处理具有高载流的晶体管。


这些器件在每个芯片表面考可以达到更高的功率密度以及更高的开关速度和更高的操作温度,这是降低开关损耗、提高能源效率和紧凑型的关键因素。


该项目面临的最大挑战之一是晶体生长,项目团队需要在接下来的几个月内开发出相关产品,以获得可重复的结果,并生成可用于电力电子应用的层结构。


研究项目将由弗莱堡大学、弗劳恩霍夫应用固体物理研究所等单位共同开展。


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