حمل و نقل الکتریکی، تامین انرژی، اتوماسیون، و ارتباطات پهن باند - به ویژه در پرتو تحول دیجیتال و تغییرات آب و هوایی - فرصت‌های جدیدی را برای تحقیقات اروپایی برای پیشروی در رقابت بین‌المللی باز می‌کند. فناوری نیمه هادی به طور خاص در حال حاضر اهرم های اصلی را نه تنها برای تضمین حاکمیت فن آوری در زمینه الکترونیک قدرت، بلکه تبدیل شدن به ضربان ساز کل صنعت ارائه می دهد.

 

موقعیت قطب برای نیترید آلومینیوم

یک فناوری نیمه هادی جدید مبتنی بر نیترید آلومینیوم (AlN) برای ترانزیستورهای الکترونیکی قدرت و همچنین مدارهای فرکانس رادیویی با موج میلی متری، پتانسیل کاهش قابل توجهی از تلفات در تبدیل انرژی الکتریکی و انتقال فرکانس بالا را دارد. در الکترونیک قدرت، دستگاه های سیلیکونی معمولی در حال حاضر با نیمه هادی های قوی تر با شکاف باند وسیع (WBG)، یعنی با خواص فیزیکی و الکتریکی برتر جایگزین شده اند. در مقیاس صنعتی، کاربید سیلیکون (SiC) قبلاً خود را تثبیت کرده است، اما دستگاه‌های مبتنی بر نیترید گالیوم (GaN) نیز در حال افزایش هستند. با این حال، پیش‌بینی می‌شود که حتی ویژگی‌های دستگاه WBG در آینده توسط نیمه‌هادی‌هایی با شکاف باند فوق‌العاده (UWBG) پیشی بگیرد. یکی از نیمه هادی های امیدوارکننده UWBG AlN است. دستگاه های روی ویفرهای AlN تک کریستالی در مقایسه با فناوری GaN به چگالی توان و کارایی بالاتری می رسند. آنها همچنین اثرات انگلی پویا کمتر و قابلیت اطمینان بالاتری را نشان می دهند. در عین حال، هدایت حرارتی بالای AlN باعث اتلاف گرمای خوب دستگاه ها می شود.

 

با زنجیره فرآیند نیترید آلومینیوم به یک موقعیت بین المللی پیشرو

به منظور دستیابی به فناوری AlN برای صنعت در میان مدت، فعالیت های موجود مرتبط در آلمان در یک خوشه استراتژیک ترکیب شده اند. هدف ایجاد یک زنجیره ارزش آلمانی برای فناوری مبتنی بر AlN و ایجاد یک موقعیت رهبری بین‌المللی در این زمینه از نظر اقتصادی مهم است. موسسه Ferdinand-Braun-Institut (FBH)، موسسه Fraunhofer برای سیستم های یکپارچه و فناوری دستگاه IISB و شرکت III/V-Reclaim PT GmbH این ابتکار را با هم هدایت می کنند. آنها کل زنجیره ارزش را پوشش می‌دهند، از رشد بلورهای AlN با استفاده از فرآیند انتقال بخار فیزیکی (PVT)، تا ویفر کردن و پرداخت ویفرهای AlN آماده epi، و اپیتاکسی لایه‌های دستگاه عملکردی، تا ساخت ترانزیستورها برای الکترونیک قدرت و کاربردهای امواج میلی‌متری.

 

برای اولین بار، کنسرسیوم اکنون با موفقیت اجرای عملی یک زنجیره ارزش برای دستگاه های AlN در آلمان و اروپا را به نمایش گذاشته است. برای این منظور، بلورهای AlN در Fraunhofer IISB رشد کردند و به ویفرهای AlN با قطر تا 1.5 اینچ برش داده شدند. شرکت III/V-Reclaim یک فرآیند پولیش را برای تولید ویفر اپیتاکسیال توسعه داده است. لایه‌های هم‌پایه عملکردی سپس به این ویفرها در موسسه فردیناند-براون اعمال شد و ترانزیستورهای با تحرک الکترون بالا AlN/GaN (HEMT) با موفقیت روی آنها پردازش شدند. اولین نسل‌های ترانزیستور تولید شده با این ویفرها قبلاً ویژگی‌های الکتریکی امیدوارکننده‌ای مانند ولتاژ شکست تا 2200 ولت و چگالی توان برتر از SiC و همچنین دستگاه‌های سوئیچ‌کننده برق مبتنی بر GaN را نشان می‌دهند.

 

سرمایه گذاری در و برای آینده

هدف قرار دادن راندمان انرژی بالاتر و کوچک‌سازی پیشرونده برای سیستم‌های الکترونیک قدرت و ارتباطات مایکروویو بسیار مهم است. با این حال، تلفات هدایت استاتیکی و دینامیکی در مواد نیمه هادی به طور غیرضروری تلفات سوئیچینگ را در تامین، توزیع و استفاده از انرژی الکتریکی افزایش می دهد. این منجر به مصرف بالاتر انرژی اولیه گرانبها می شود. تنها در اروپا، تلفات تبدیل هر سال چندین تراوات ساعت انرژی الکتریکی را هدر می دهد - با روندی رو به افزایش.

 

برای دستیابی به صرفه جویی قابل توجه در انرژی، خود مواد نیمه هادی باید مورد توجه قرار گیرند. در مقایسه با دستگاه‌های سیلیکونی تاسیس شده، HEMT‌های AlN/GaN، همانطور که اکنون با موفقیت بر روی ویفرهای AlN تولید شده‌اند، تا سه هزار برابر کمتر از سیلیکون تلفات رسانایی ارائه می‌کنند و تقریباً ده برابر کارآمدتر از ترانزیستورهای SiC هستند.

 

این پیشرفت های تحقیقاتی با بودجه وزارت آموزش و تحقیقات فدرال آلمان (BMBF) در پروژه های ForMikro-LeitBAN و Nitrides-4-6G پشتیبانی شد.