Nouveau matériau pour repousser les limites de l'électronique à base de silicium

21 janvier 2019, Institut Fraunhofer de physique appliquée à l'état solide IAF

Fraunhofer IAF développe des composants et des systèmes électroniques à base de GaN. L'image montre une plaquette de GaN traitée. Crédit: Institut Fraunhofer de physique appliquée à l'état solide IAF

Le marché de l'électronique est en croissance constante, tout comme la demande de systèmes électroniques de puissance de plus en plus compacts et efficaces. Les composants électroniques prédominants à base de silicium ne seront plus, dans un avenir prévisible, en mesure de répondre aux exigences industrielles croissantes. C'est pourquoi les scientifiques de l'université de Fribourg, du Sustainability Center Freiburg et de la Fraunhofer-Gesellschaft se sont associés pour explorer une nouvelle structure de matériau mieux adaptée à l'électronique de puissance future.

Le projet récemment lancé "Recherche de structures semi-conductrices fonctionnelles pour l'électronique de puissance écoénergétique" (en abrégé "Power Electronics 2020 +") étudie le nouveau matériau semi-conducteur à base de nitrure d'aluminium scandium (ScAlN). Le professeur Oliver Ambacher, directeur de Fraunhofer IAF et professeur d'électronique de puissance au département d'Ingénierie des systèmes durables (INATECH) de l'université de Fribourg, coordonne la collaboration suprarégionale.

Trois facteurs clés sont à l'origine de la forte croissance du marché de l' électronique : l'automatisation et la numérisation du secteur ainsi que la prise de conscience croissante de la responsabilité écologique et des processus durables. La consommation d'énergie ne peut être réduite que si les systèmes électroniques deviennent plus efficaces en termes d'énergie et de ressources tout en devenant plus puissants.

Jusqu'à présent, le silicium domine l'industrie électronique. Grâce à son coût relativement bas et à sa structure cristalline presque parfaite, le silicium est devenu un matériau semi-conducteur particulièrement performant, notamment parce que sa bande interdite permet une bonne concentration et vitesse de porteurs de charge ainsi qu'une bonne résistance diélectrique. Cependant, l'électronique au silicium atteint progressivement sa limite physique. En ce qui concerne la densité de puissance et la compacité requises, les composants électroniques de puissance en silicium sont insuffisants.

Composition de matériaux innovante pour plus de puissance et d'efficacité

Les limites de la technologie du silicium ont déjà été surmontées par l'utilisation du nitrure de gallium (GaN) en tant que semi-conducteur dans l'électronique de puissance. Le GaN offre de meilleures performances dans des conditions de tensions élevées, de températures élevées et de fréquences de commutation rapides par rapport au silicium . Cela va de pair avec une efficacité énergétique nettement supérieure - avec de nombreuses applications consommant de l'énergie, cela signifie une réduction significative de la consommation d'énergie. Fraunhofer IAF étudie le GaN en tant que matériau semi-conducteur pour composants et systèmes électroniques depuis de nombreuses années. Avec l’aide de partenaires industriels, les résultats de ces travaux de recherche ont déjà été utilisés commercialement. Les scientifiques du projet "Power Electronics 2020+" iront encore plus loin afin d'améliorer encore l'efficacité énergétique et la durabilité de la prochaine génération de systèmes électroniques . À cette fin, un matériau différent et novateur sera utilisé: le nitrure d'aluminium à base de scandium (ScAlN).

Une équipe de chercheurs de Fraunhofer IAF travaille depuis de nombreuses années sur les propriétés piézoélectriques de ScAlN pour une utilisation dans les filtres haute fréquence. La photo montre la caractérisation de tels dispositifs sur une plaquette. Crédit: Institut Fraunhofer de physique appliquée à l'état solide IAF

ScAlN est un matériau semi-conducteur piézoélectrique à haute rigidité diélectrique largement inexploré dans le monde en ce qui concerne sa facilité d'utilisation dans les applications microélectroniques. "Le fait que le nitrure d'aluminium à base de scandium convienne particulièrement bien aux composants électroniques de puissance, en raison de ses propriétés physiques, a déjà été prouvé", explique le Dr Ing. Michael Mikulla, chef de projet chez Fraunhofer IAF. Le but du projet est de faire croître du ScAlN apparié au réseau sur une couche de GaN et d'utiliser les hétérostructures résultantes pour traiter des transistors à haute capacité de transport de courant. "Les structures semi-conductrices fonctionnelles basées sur des matériaux à bande interdite large, tels que le nitrure d’aluminium et le nitrure de gallium, permettent de réaliser des transistors avec de très hautes tensions et courants. Ces dispositifs atteignent une densité de puissance plus élevée par surface de puce ainsi que des vitesses de commutation Ceci est synonyme de pertes de commutation plus faibles, d’efficacité énergétique supérieure et de systèmes plus compacts ", a ajouté le professeur Oliver Ambacher, directeur de Fraunhofer IAF. "En combinant les deux matériaux , le GaN et le ScAlN, nous souhaitons doubler la puissance de sortie maximale possible de nos appareils tout en réduisant de manière significative la demande en énergie", explique M. Mikulla.

Travail de pionnier dans la recherche sur les matériaux

L'un des plus grands défis du projet est la croissance cristalline, considérant qu'il n'existe pas encore de structure de croissance ni de recettes de croissance ni de valeurs empiriques pour ce matériau. L'équipe du projet doit les développer au cours des prochains mois afin d'obtenir des résultats reproductibles et de produire des structures en couches pouvant être utilisées avec succès pour des applications électroniques de puissance .

Le projet de recherche sera mené en étroite collaboration entre l’université de Fribourg, l’Institut Fraunhofer de physique du solide appliquée, le Sustainability Center Freiburg et l’Institut Fraunhofer pour la technologie des systèmes et des dispositifs intégrés à Erlangen, membre du le centre de haute performance pour les systèmes électroniques à Erlangen. Cette nouvelle forme de collaboration entre la recherche universitaire et le développement orienté application servira de modèle pour la coopération future dans le cadre de projets. "D'une part, ce modèle facilite la coopération avec les entreprises grâce au transfert rapide des résultats de la recherche fondamentale vers un développement orienté application. D'autre part, il crée des synergies entre deux centres Fraunhofer techniquement complémentaires de deux régions différentes et améliore ainsi les deux leurs offres pour les clients potentiels de l'industrie des semi-conducteurs ", explique le professeur Ambacher.