El mercado de la electrónica crece constantemente y también la demanda de sistemas electrónicos de potencia cada vez más compactos y eficientes. Los componentes electrónicos predominantes basados ​​en silicio ya no podrán cumplir en un futuro previsible los crecientes requisitos industriales. Por eso los científicos de la Universidad de Friburgo, el Sustainability Centre Freiburg y Fraunhofer-Gesellschaft han unido fuerzas para explorar una nueva estructura de material que pueda ser más adecuada para la electrónica de potencia del futuro.

El proyecto recientemente lanzado "Investigación de estructuras de semiconductores funcionales para electrónica de potencia energéticamente eficiente" (en resumen, "Electrónica de potencia 2020+") investiga el novedoso material semiconductor nitruro de aluminio y escandio (ScAlN). Prof.Dr. Oliver Ambacher, director de Fraunhofer IAF y profesor de electrónica de potencia en el Departamento de Ingeniería de Sistemas Sostenibles (INATECH) de la Universidad de Friburgo, coordina la colaboración suprarregional.

Tres factores clave son responsables del fuerte crecimiento del mercado de la electrónica:la automatización y digitalización de la industria, así como la creciente conciencia de la responsabilidad ecológica y los procesos sostenibles. El consumo de energía solo puede reducirse si los sistemas electrónicos se vuelven más eficientes en cuanto a energía y recursos al mismo tiempo que se vuelven más potentes.

A hoy, el silicio domina la industria electrónica. Con su costo relativamente bajo y una estructura cristalina casi perfecta, el silicio se ha convertido en un material semiconductor particularmente exitoso, también porque su banda prohibida permite una buena concentración y velocidad del portador de carga, así como una buena rigidez dieléctrica. Sin embargo, La electrónica de silicio alcanza gradualmente su límite físico. Especialmente con respecto a la densidad de potencia requerida y la compacidad, Los componentes electrónicos de potencia de silicio son insuficientes.

Composición de material innovadora para mayor potencia y eficiencia

Las limitaciones de la tecnología del silicio ya se han superado mediante el uso de nitruro de galio (GaN) como semiconductor en la electrónica de potencia. GaN funciona mejor en condiciones de altos voltajes, altas temperaturas y frecuencias de conmutación rápidas en comparación con el silicio. Esto va de la mano con una eficiencia energética significativamente mayor, con numerosas aplicaciones que consumen energía, esto significa una reducción significativa en el consumo de energía. Fraunhofer IAF ha estado investigando GaN como material semiconductor para componentes y sistemas electrónicos durante muchos años. Con la ayuda de socios industriales, los resultados de estos trabajos de investigación ya se han utilizado comercialmente. Los científicos del proyecto "Power Electronics 2020+" irán aún más lejos para mejorar una vez más la eficiencia energética y la durabilidad de la próxima generación de sistemas electrónicos. Para este propósito, Se utilizará un material diferente y novedoso:nitruro de escandio y aluminio (ScAlN).

ScAlN es un material semiconductor piezoeléctrico con una alta rigidez dieléctrica que está en gran parte inexplorado en todo el mundo con respecto a su usabilidad en aplicaciones microelectrónicas. "El hecho de que el nitruro de escandio y aluminio sea especialmente adecuado para componentes electrónicos de potencia, por sus propiedades físicas, ya ha sido probado, "explica el Dr.-Ing. Michael Mikulla, director de proyecto por parte de Fraunhofer IAF. El objetivo del proyecto es desarrollar ScAlN de celosía en una capa de GaN y utilizar las heteroestructuras resultantes para procesar transistores con alta capacidad de transporte de corriente. "Estructuras semiconductoras funcionales basadas en materiales con una gran banda prohibida, como el nitruro de escandio y aluminio y el nitruro de galio, permiten transistores con tensiones y corrientes muy altas. Estos dispositivos alcanzan una densidad de potencia más alta por superficie de chip, así como velocidades de conmutación más altas y temperaturas de funcionamiento más altas. Esto es sinónimo de menores pérdidas de conmutación, mayor eficiencia energética y sistemas más compactos, "añade el Prof. Dr. Oliver Ambacher, director de Fraunhofer IAF. "Al combinar ambos materiales, GaN y scAlN, queremos duplicar la potencia de salida máxima posible de nuestros dispositivos y, al mismo tiempo, reducir significativamente la demanda de energía, "dice Mikulla.

Trabajo pionero en investigación de materiales

Uno de los mayores desafíos del proyecto es el crecimiento de cristales, Considerando que no existe estructura ni recetas de crecimiento ni valores empíricos para este material, todavía. El equipo del proyecto debe desarrollarlos durante los próximos meses para alcanzar resultados reproducibles y producir estructuras de capas que puedan usarse con éxito para aplicaciones de electrónica de potencia.

El proyecto de investigación se llevará a cabo en estrecha colaboración entre la Universidad de Friburgo, el Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido IAF, el Sustainability Centre Freiburg y el Fraunhofer Institure for Integrated Systems and Device Technology IISB en Erlangen, que es miembro del Centro de alto rendimiento para sistemas electrónicos en Erlangen. Esta nueva forma de colaboración entre la investigación universitaria y el desarrollo orientado a aplicaciones servirá como modelo para la cooperación de proyectos futuros. "Por un lado, este modelo facilita la cooperación con las empresas mediante la rápida transferencia de resultados de la investigación básica al desarrollo orientado a aplicaciones. Por otra parte, abre sinergias entre dos Centros Fraunhofer técnicamente complementarios de dos regiones diferentes y, por lo tanto, mejora sus ofertas para los clientes potenciales de la industria de los semiconductores, "dice el profesor Ambacher.