सिलिकॉन आधारित इलेक्ट्रॉनिक्स की सीमाओं को आगे बढ़ाने के लिए नई सामग्री

21 जनवरी, 2019, एप्लाइड सॉलिड स्टेट फिजिक्स IAF के लिए फ्राउनहोफर इंस्टीट्यूट

Fraunhofer IAF GaN पर आधारित इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और प्रणालियों का विकास करता है। छवि एक संसाधित GaN वेफर को दिखाती है। क्रेडिट: एप्लाइड सॉलिड स्टेट फिजिक्स IAF के लिए फ्राउनहोफर इंस्टीट्यूट

इलेक्ट्रॉनिक्स बाजार लगातार बढ़ रहा है और इसलिए बढ़ती कॉम्पैक्ट और कुशल बिजली इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों की मांग है। भविष्य में सिलिकॉन पर आधारित प्रमुख इलेक्ट्रॉनिक घटक अब बढ़ती औद्योगिक आवश्यकताओं को पूरा करने में सक्षम नहीं होंगे। यही कारण है कि फ्राइबर्ग विश्वविद्यालय, सस्टेनेबिलिटी सेंटर फ्रीबर्ग और फ्राउनहोफर-गेसलशाफ्ट के वैज्ञानिकों ने एक नई सामग्री संरचना का पता लगाने के लिए बलों में शामिल हो गए हैं जो भविष्य के बिजली इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए बेहतर अनुकूल हो सकते हैं।

हाल ही में शुरू की गई परियोजना "रिसर्च ऑफ फंक्शनल सेमीकंडक्टर स्ट्रक्चर्स फॉर एनर्जी एफिशिएंट पावर इलेक्ट्रॉनिक्स" (संक्षेप में "पावर इलेक्ट्रॉनिक्स 2020+") उपन्यास सेमीकंडक्टर सामग्री स्कैंडियम एल्यूमीनियम नाइट्राइड (ScAlN) पर शोध करती है। फ्रायबर्ग विश्वविद्यालय के सस्टेनेबल सिस्टम्स इंजीनियरिंग (INATECH) विभाग में फ्राउन्होफर IAF के निदेशक और पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के प्रोफेसर डॉ। ओलिवर अम्बाचर, सुप्रा-क्षेत्रीय सहयोग का निर्देशन करते हैं।

तीन प्रमुख कारक इलेक्ट्रॉनिक्स बाजार की मजबूत वृद्धि के लिए जिम्मेदार हैं : उद्योग के स्वचालन और डिजिटलाइजेशन के साथ-साथ पारिस्थितिक जिम्मेदारी और टिकाऊ प्रक्रियाओं की बढ़ती जागरूकता। बिजली की खपत को केवल तभी कम किया जा सकता है जब इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम अधिक ऊर्जा बनते हैं- और संसाधन-कुशल उसी समय जब वे अधिक शक्तिशाली हो जाते हैं।

आज तक, सिलिकॉन इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग पर हावी है। इसकी सापेक्ष कम लागत और लगभग सही क्रिस्टल संरचना के साथ, सिलिकॉन एक विशेष रूप से सफल अर्धचालक सामग्री बन गया है, क्योंकि इसका बैंडगैप एक अच्छा चार्ज वाहक एकाग्रता और वेग दोनों के साथ-साथ एक अच्छी ढांकता हुआ शक्ति के लिए अनुमति देता है । हालाँकि, सिलिकॉन इलेक्ट्रॉनिक्स धीरे-धीरे अपनी भौतिक सीमा तक पहुँच जाता है। विशेष रूप से आवश्यक शक्ति घनत्व और कॉम्पैक्टनेस के संबंध में, सिलिकॉन पावर इलेक्ट्रॉनिक घटक अपर्याप्त हैं।

अधिक शक्ति और क्षमता के लिए अभिनव सामग्री संरचना

पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्स में सेमीकंडक्टर के रूप में गैलियम नाइट्राइड (GaN) के उपयोग से सिलिकॉन प्रौद्योगिकी की सीमाएं पहले ही दूर हो चुकी हैं। सिलिकॉन की तुलना में GaN उच्च वोल्टेज, उच्च तापमान और तेजी से स्विचिंग आवृत्तियों की स्थितियों में बेहतर प्रदर्शन करता है । यह कई उच्च ऊर्जा खपत वाले अनुप्रयोगों के साथ उच्च ऊर्जा दक्षता के साथ हाथ में जाता है, इसका मतलब है कि ऊर्जा की खपत में उल्लेखनीय कमी। Fraunhofer IAF कई वर्षों से इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और प्रणालियों के लिए सेमीकंडक्टर सामग्री के रूप में GaN पर शोध कर रहा है। औद्योगिक भागीदारों की मदद से, इन शोध कार्यों के परिणामों को पहले ही व्यावसायिक उपयोग के लिए रखा गया है। "पावर इलेक्ट्रॉनिक्स 2020+" परियोजना के वैज्ञानिक एक बार फिर इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों की अगली पीढ़ी की ऊर्जा दक्षता और स्थायित्व को बढ़ाने के लिए आगे बढ़ेंगे । इस उद्देश्य के लिए, एक अलग और उपन्यास सामग्री का उपयोग किया जाएगा: स्कैंडियम एल्यूमीनियम नाइट्राइड (ScAlN)।

फ्राउनहोफर IAF के शोधकर्ताओं की एक टीम कई वर्षों से उच्च आवृत्ति फिल्टर में उपयोग के लिए ScAlN के पीजोइलेक्ट्रिक गुणों पर काम कर रही है। चित्र एक वेफर पर ऐसे उपकरणों के लक्षण वर्णन को दर्शाता है। क्रेडिट: एप्लाइड सॉलिड स्टेट फिजिक्स IAF के लिए फ्राउनहोफर इंस्टीट्यूट

ScAlN एक पीज़ोइलेक्ट्रिक सेमीकंडक्टर सामग्री है जिसमें उच्च ढांकता हुआ ताकत होती है जो कि माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों में इसकी प्रयोज्यता के संबंध में दुनिया भर में काफी हद तक अस्पष्ट है। "तथ्य यह है कि स्कैंडियम एल्यूमीनियम नाइट्राइड विशेष रूप से बिजली इलेक्ट्रॉनिक घटकों के लिए अनुकूल है, इसके भौतिक गुणों के कारण, पहले ही साबित हो चुका है," डॉ-इंग बताते हैं। माइकल मिकुल्ला, फ्राउनहोफर IAF की ओर से परियोजना प्रबंधक। परियोजना का उद्देश्य एक GaN परत पर जाली-मिलान किए गए ScAlN को विकसित करना और उच्च वर्तमान ले जाने की क्षमता वाले ट्रांजिस्टर को संसाधित करने के लिए परिणामी हेट्रोस्ट्रक्चर का उपयोग करना है। "एक बड़े बैंडगैप के साथ सामग्रियों पर आधारित कार्यात्मक अर्धचालक संरचनाएं, जैसे कि स्कैंडियम एल्यूमीनियम नाइट्राइड और गैलियम नाइट्राइड, बहुत उच्च वोल्टेज और धाराओं के साथ ट्रांजिस्टर की अनुमति देते हैं। ये उपकरण चिप सतह के प्रति उच्च शक्ति घनत्व और साथ ही उच्च स्विचिंग गति और उच्च संचालन तक पहुंचते हैं। तापमान। यह लोअर स्विचिंग लॉस, उच्च ऊर्जा दक्षता और अधिक कॉम्पैक्ट सिस्टम का पर्याय है, "फ्रॉन्होफर आईएएफ के निदेशक प्रो। डॉ। ओलिवर एंबैकर कहते हैं। "दोनों सामग्री , GaN और ScAlN के संयोजन से , हम अपने उपकरणों की अधिकतम संभव उत्पादन शक्ति को दोगुना करना चाहते हैं, जबकि एक ही समय में ऊर्जा की मांग को काफी कम कर देते हैं," मिकुल्ला कहते हैं।

सामग्री अनुसंधान में अग्रणी कार्य

परियोजना की सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक क्रिस्टल विकास है, इस बात पर विचार करते हुए कि इस सामग्री के लिए न तो विकासवादी व्यंजन हैं और न ही विकास संबंधी मूल्य। प्रोजेक्ट टीम को अगले महीनों के दौरान इन्हें विकसित करने की आवश्यकता है ताकि प्रजनन योग्य परिणाम तक पहुंच सके और परत संरचनाओं का उत्पादन किया जा सके जो सफलतापूर्वक बिजली इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किए जा सकते हैं।

अनुसंधान परियोजना फ्रीबर्ग के विश्वविद्यालय, एप्लाइड सॉलिड स्टेट फिजिक्स IAF के लिए फ्राउनहोफर इंस्टीट्यूट, सस्टेनेबिलिटी सेंटर फ्रीबर्ग के साथ-साथ एर्लगेन में इंटीग्रेटेड सिस्टम और डिवाइस टेक्नोलॉजी IISB के लिए फ्रैन्होफर इंस्ट्रूमेंट के बीच निकट सहयोग में आयोजित किया जाएगा, जो एक सदस्य है Erlangen में इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम के लिए उच्च प्रदर्शन केंद्र। विश्वविद्यालय अनुसंधान और अनुप्रयोग-उन्मुख विकास के बीच सहयोग का यह नया रूप भविष्य के परियोजना सहयोग के लिए एक रोल मॉडल के रूप में काम करेगा। "एक तरफ, यह मॉडल बुनियादी अनुसंधान से अनुप्रयोग-उन्मुख विकास के लिए परिणाम के त्वरित हस्तांतरण के माध्यम से कंपनियों के साथ सहयोग की सुविधा देता है। दूसरी तरफ, यह दो अलग-अलग क्षेत्रों के तकनीकी रूप से पूरक फ्रैन्होफर केंद्रों के बीच तालमेल खोलता है और इस प्रकार सुधार करता है। सेमीकंडक्टर उद्योग के संभावित ग्राहकों के लिए उनके दोनों प्रस्ताव, "प्रो। एंबाचर कहते हैं।