12 e 13 Aprile 2022, BolognaFiere

Un nuovo materiale per superare iu limiti del silicio

Nell’elettronica di potenza, la tecnologia al silicio, che oggi è predominante, nel prossimo futuro non sarà più in grado di soddisfare le crescenti richieste. Università, enti di ricerca e il Fraunhofer Instutute stanno lavorando su un materiale sconosciuto ai più: lo ScAIN (nitruro di alluminio e scandio).

Due sono i fattori che principalmente influenzano il mercato elettronico: l’automazione e la digitalizzazione del settore, nonché la crescente consapevolezza della responsabilità ecologica e dei processi sostenibili. Il consumo di energia può essere ridotto solo se i sistemi elettronici riescono a diventare sempre più efficienti utilizzando in modo efficiente le risorse.

Fino a oggi, il silicio ha dominato il settore dell’elettronica. Oltre al suo basso costo e alla struttura cristallina quasi perfetta, il silicio è anche un materiale semiconduttore particolarmente efficace perché il suo gap di banda consente una buona concentrazione e velocità dei portatori di carica , oltre a una buona rigidità dielettrica.

Nuovi materiali per le nuove generazioni di componenti

Tuttavia, l’elettronica al silicio sta gradualmente raggiungendo i suoi limiti fisici, soprattutto per quanto riguarda la densità di potenza richiesta per le generazioni future di componenti e la conseguente compattezza dei dispositivi dotati di tali componenti.

L’uso del nitruro di gallio (GaN) nell’elettronica di potenza è riuscito a superare i limiti della tecnologia del silicio. Il GaN ha prestazioni superiori rispetto al silicio a tensioni molto elevate, temperature e frequenze di commutazione, consentendo in tal modo un’efficienza energetica significativamente più elevata.

In numerose applicazioni ad alta intensità energetica, ciò significa una significativa riduzione del consumo di energia.

Il progetto targato Fraunhofer Institute

Il Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics (IAF) di Friburgo da anni sta studiando le strutture dei semiconduttori GaN e ha sviluppato componenti e sistemi elettronici basati su GaN già utilizzati in applicazioni commerciali con l’aiuto di partner industriali.

Nel nuovo progetto “Power Electronics 2020+”, i ricercatori stanno lavorando per aumentare ulteriormente l’efficienza energetica e la durata dei futuri sistemi elettronici. A tale scopo stanno utilizzando per la prima volta un altro materiale: il nitruro di alluminio e scandio (ScAlN).

I primi componenti basati su ScAlN

Lo ScAlN è un materiale semiconduttore piezoelettrico con un’elevata rigidità dielettrica, proprietà finora inutilizzata per applicazioni nella microelettronica. “È già stato dimostrato che il nitruro di alluminio di scandio è particolarmente adatto per l’uso nei componenti elettronici di potenza grazie alle sue proprietà fisiche“, spiega Michael Mikulla, project manager presso Fraunhofer IAF.

In termini concreti, l’obiettivo è di far crescere lo ScAlN su uno strato GaN, agganciandosi al suo reticolo e realizzare  transistor con elevata capacità di carico di corrente con le eterostrutture prodotte.

Le strutture funzionali ai semiconduttori, basate su materiali con ampivvalori della banda proibita, nitruro di alluminio e scandio e nitruro di gallio, consentono ai transistor di gestire tensioni e correnti molto elevate. I dispositivi raggiungono una maggiore densità di potenza per area del chip così come maggiori velocità di commutazione e temperature operative più elevate. La combinazione di queste proprietà si traduce in minori perdite di commutazione, maggiore efficienza energetica e sistemi più compatti “, spiega Oliver Ambacher, direttore dell’Istituto Fraunhofer IAF e professore di elettronica di potenza presso l’Institute for Sustainable Technical Systems (INATECH) presso l’Università di Friburgo.

I primi obiettivi dei ricercatori

Uno degli obiettivi a breve termine per i ricercatori è una combinazione di GaN e ScAlN per raddoppiare la massima potenza di uscita possibile del componente con un fabbisogno energetico significativamente inferiore.

Una delle maggiori problematiche di questo progetto è la crescita dei cristalli, poiché per questa struttura non esistono al momento né dati statistic né valori empirici.

Il team dovrà quindi superare questo ostacolo nei prossimi mesi per ottenere risultati riproducibili e produrre strutture di livello che possano essere utilizzate con successo per applicazioni nell’elettronica di potenza.

Articolo tradotto da EENews : https://www.eenewseurope.com/news/new-material-overcome-limits-silicon-and-even-gan/page/0/1?news_id=114051

Il Fortronic Power , ha invitato il Fraunhofer Institute a parlare di questa ricerca e delle prospettive che può aprire nell’elettronica di potenza. Non perdere l’occasione di essere aggiornato sulle più innovatiove tecnologie iscriviti alla nostra newsletter

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Irma Garioni
Irma Garioni