隨著對電力電子系統日益緊湊和高效的需求不斷增長，同時由于硅電子器件在應用中已不能夠完全滿足當前的工業需求，因此弗萊堡大學、德國佛萊堡永續中心以及弗勞恩霍夫應用研究促進協會準備聯手探索更適合未來電力電子產品的新材料結構。

在最近項目“節能電力電子功能半導體結構研究”（'Power Electronics 2020+'）中正在研究一種新型半導體材料——鈧氮化鋁（ScAlN）。德國夫瑯和費應用固體物理研究所（IAF）主任、弗萊堡大學可持續系統工程系（INATECH）電力電子學教授Oliver Ambacher正在協調超區域合作。

當前影響電子市場強勁增長的三個關鍵因素是：行業的自動化與數字化、對生態責任意識的日益提高以及可持續性工藝。當電子系統在提高能源效率和資源效率的同時增強功率，功耗將會降低。

硅技術到達了物理發展極限

硅的成本相對較低，同時其晶體結構是幾乎完美的，特別是因為其帶隙可以實現良好的載流子濃度和速度以及良好的介電強度，因此在電子工業中一直占據著主導地位。然而，硅電子產品已逐漸達到其物理極限。特別是在所需的功率密度和緊湊性方面，硅功率電子元件暴露出明顯的缺陷。

創新的材料組合提供更高的功率和效率

目前，通過將氮化鎵（GaN）用于功率電子器件已經克服了硅技術的局限性。與硅相比，GaN在高電壓，高溫和快速開關頻率下表現展示出更優良的性能。這也就意味著這類器件在眾多耗能應用中會擁有更高的能源效率，能源消耗也會有顯著的降低。多年來，IAF一直致力于研究用于電子元件和系統的GaN。在工業合作伙伴的幫助下，這項研究工作的成果已經投入商業用途。在Power Electronics 2020+項目中，該研究將進一步發展，以提高下一代電子系統的能效和耐用性。因此，研究團隊將新型材料：氮化鈧（ScAlN）引入到本項研究中。

晶圓上基于ScAlN的高頻濾波器的表征。 ?Fraunhofer IAF

第一個基于ScAlN的組件

ScAlN是一種具有高介電強度的壓電半導體材料，就其在微電子應用中的可用性而言，在世界范圍內很大程度上尚未開發。“由于其物理特性，鈧氮化鋁特別適用于電力電子元件，這一事實已經得到證實，”IAF項目經理Michael Mikulla博士指出。該項目的目標是在GaN層上生長晶格匹配的ScAlN，并使用所得的異質結構來處理具有高載流能力的晶體管。“基于具有大帶隙的材料的功能半導體結構 - 例如氮化鈧和氮化鎵 - 可以使晶體管具有非常高的電壓和電流，”IAF主任Oliver Ambacher教授說。“這些器件的芯片表面功率密度更高，開關速度更快，工作溫度更高；這也就意味著其開關損耗更低，能效更高，系統更簡潔、緊湊“他補充道。“通過結合GaN和ScAlN兩種材料，我們希望可以成倍增加器件的最大可能輸出功率，并能夠顯著降低能耗”Mikulla說。

材料研究的開創性工作

考慮到迄今為止這種材料的增長配方和經驗值都沒有，因此該項目中晶體生長是目前面臨的最大挑戰之一。項目團隊將會在未來幾個月內對進行晶體生長研究，以期盼獲得可重復的結果，并生成可成功用于電力電子應用的層結構。

弗萊堡與埃朗根之間的專家合作和知識轉移

該研究項目將由弗萊堡大學，夫瑯和費應用固體物理研究所（IAF），德國佛萊堡永續中心以及埃爾蘭根的弗勞恩霍夫弗勞恩霍夫系統集成和元件研究所（IISB）進行密切合作。學術研究和面向應用的發展之間的這種新型合作方式將成為未來項目合作的典范。

“一方面，這種模式通過將基礎研究成果迅速轉移到實際應用的發展，促進了科研機構與公司的深度合作。 另一方面，它開辟了不同地區、不同技術上互補的協同效應，從而改善了他們為半導體行業的潛在客戶提供的服務水平“Ambacher說。