p O mercado de eletrônicos está crescendo constantemente, assim como a demanda por sistemas eletrônicos de potência cada vez mais compactos e eficientes. Os componentes eletrônicos predominantes baseados em silício, em um futuro previsível, não serão mais capazes de atender aos crescentes requisitos industriais. É por isso que os cientistas da universidade de Freiburg, o Centro de Sustentabilidade de Freiburg e o Fraunhofer-Gesellschaft uniram forças para explorar uma nova estrutura de material que pode ser mais adequada para a futura eletrônica de potência. p O projeto recentemente lançado "Pesquisa de Estruturas de Semicondutores Funcionais para Eletrônica de Potência Eficiente em Energia" (em suma, "Power Electronics 2020+") pesquisa o novo material semicondutor de nitreto de escândio e alumínio (ScAlN). Prof. Dr. Oliver Ambacher, diretor da Fraunhofer IAF e professor de eletrônica de potência no Departamento de Engenharia de Sistemas Sustentáveis ​​(INATECH) da universidade de Freiburg, coordena a colaboração supra-regional.

p Três fatores-chave são responsáveis ​​pelo forte crescimento do mercado de eletrônicos:a automação e digitalização da indústria, bem como a crescente consciência da responsabilidade ecológica e processos sustentáveis. O consumo de energia só pode ser reduzido se os sistemas eletrônicos se tornarem mais eficientes em termos de energia e recursos ao mesmo tempo em que se tornarem mais potentes.

p Atualizado, o silício domina a indústria eletrônica. Com seu custo relativamente baixo e uma estrutura de cristal quase perfeita, o silício se tornou um material semicondutor particularmente bem-sucedido, também porque seu bandgap permite uma boa concentração e velocidade de portadores de carga, bem como uma boa rigidez dielétrica. Contudo, a eletrônica de silício gradualmente atinge seu limite físico. Especialmente no que diz respeito à densidade de potência e compactação necessárias, componentes eletrônicos de potência de silício são insuficientes.

p Composição de material inovadora para mais potência e eficiência

p As limitações da tecnologia de silício já foram superadas pelo uso de nitreto de gálio (GaN) como semicondutor em eletrônica de potência. GaN tem melhor desempenho em condições de altas tensões, altas temperaturas e freqüências de comutação rápida em comparação com o silício. Isso anda de mãos dadas com uma eficiência energética significativamente maior - com inúmeras aplicações que consomem energia, isso significa uma redução significativa no consumo de energia. Fraunhofer IAF tem pesquisado GaN como um material semicondutor para componentes e sistemas eletrônicos por muitos anos. Com a ajuda de parceiros industriais, os resultados dessas pesquisas já foram colocados em uso comercial. Os cientistas do projeto “Power Electronics 2020+” irão ainda mais longe para aumentar mais uma vez a eficiência energética e a durabilidade da próxima geração de sistemas eletrónicos. Para este propósito, um material diferente e novo será usado:nitreto de alumínio e escândio (ScAlN).

p ScAlN é um material semicondutor piezoelétrico com alta rigidez dielétrica que é amplamente inexplorado em todo o mundo no que diz respeito à sua usabilidade em aplicações microeletrônicas. "O fato de que o nitreto de escândio e alumínio é especialmente adequado para componentes eletrônicos de potência, devido às suas propriedades físicas, já foi provado, "explica o Dr.-Ing. Michael Mikulla, gerente de projeto da Fraunhofer IAF. O objetivo do projeto é aumentar o ScAlN com correspondência de rede em uma camada de GaN e usar as heteroestruturas resultantes para processar transistores com alta capacidade de transporte de corrente. "Estruturas semicondutoras funcionais baseadas em materiais com um grande bandgap, tais como nitreto de escândio e alumínio e nitreto de gálio, permitir transistores com tensões e correntes muito altas. Esses dispositivos atingem uma densidade de potência mais alta por superfície do chip, bem como velocidades de comutação mais altas e temperaturas operacionais mais altas. Isso é sinônimo de menores perdas de comutação, maior eficiência energética e sistemas mais compactos, "acrescenta o Prof. Dr. Oliver Ambacher, diretor da Fraunhofer IAF. "Ao combinar os dois materiais, GaN e ScAlN, queremos dobrar a potência de saída máxima possível de nossos dispositivos e, ao mesmo tempo, reduzir significativamente a demanda de energia, "diz Mikulla.

p Trabalho pioneiro em pesquisa de materiais

p Um dos maiores desafios do projeto é o crescimento do cristal, considerando que não existe estrutura nem receitas de crescimento nem valores empíricos para este material, ainda. A equipe do projeto precisa desenvolvê-los durante os próximos meses, a fim de alcançar resultados reproduzíveis e produzir estruturas de camadas que possam ser usadas com sucesso em aplicações eletrônicas de potência.

p O projeto de pesquisa será realizado em estreita cooperação entre a universidade de Freiburg, o Instituto Fraunhofer de Física de Estado Sólido Aplicada IAF, o Centro de Sustentabilidade de Freiburg, bem como o Instituto Fraunhofer para Sistemas Integrados e Tecnologia de Dispositivos IISB em Erlangen, que é membro do Centro de Alto Desempenho para Sistemas Eletrônicos em Erlangen. Esta nova forma de colaboração entre a pesquisa universitária e o desenvolvimento orientado para a aplicação deve servir como um modelo para a cooperação em projetos futuros. "Por um lado, este modelo facilita a cooperação com empresas por meio da transferência imediata de resultados da pesquisa básica para o desenvolvimento orientado para a aplicação. Por outro lado, ele abre sinergias entre dois Centros Fraunhofer tecnicamente complementares de duas regiões diferentes e, assim, melhora suas ofertas para clientes potenciais da indústria de semicondutores, "diz o Prof. Ambacher.