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 pourront plus dans un avenir prévisible répondre aux exigences industrielles croissantes. C'est pourquoi des scientifiques de l'université de Fribourg, le Sustainability Center Freiburg et la Fraunhofer-Gesellschaft ont uni leurs forces afin d'explorer une nouvelle structure matérielle qui pourrait être mieux adaptée à l'électronique de puissance future.

Le projet récemment lancé "Research of Functional Semiconductor Structures for Energy Efficient Power Electronics" (en abrégé "Power Electronics 2020+") étudie le nouveau matériau semi-conducteur, le nitrure d'aluminium de scandium (ScAlN). Pr. 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 responsables de la forte croissance du marché de l'électronique :l'automatisation et la numérisation de l'industrie 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 économes en énergie et en ressources en même temps qu'ils deviennent plus puissants.

À jour, le silicium domine l'industrie électronique. Avec son coût relativement bas et une structure cristalline presque parfaite, le silicium est devenu un matériau semi-conducteur particulièrement réussi, aussi parce que sa bande interdite permet à la fois une bonne concentration et vitesse des porteurs de charge ainsi qu'une bonne rigidité diélectrique. Cependant, l'électronique au silicium atteint progressivement sa limite physique. Surtout 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) comme semi-conducteur dans l'électronique de puissance. GaN est plus performant dans des conditions de hautes tensions, températures élevées et fréquences de commutation rapides par rapport au silicium. Cela va de pair avec une efficacité énergétique nettement plus élevée - avec de nombreuses applications énergivores, cela signifie une réduction significative de la consommation d'énergie. Fraunhofer IAF étudie depuis de nombreuses années le GaN en tant que matériau semi-conducteur pour les composants et systèmes électroniques. Avec l'aide de partenaires industriels, les résultats de ces travaux de recherche ont déjà été exploités commercialement. Les scientifiques du projet "Power Electronics 2020+" iront encore plus loin afin d'améliorer une fois de plus l'efficacité énergétique et la durabilité de la prochaine génération de systèmes électroniques. Dans ce but, un matériau différent et nouveau sera utilisé :le nitrure d'aluminium de scandium (ScAlN).

Le ScAlN est un matériau semi-conducteur piézoélectrique avec une rigidité diélectrique élevée qui est largement inexplorée dans le monde en ce qui concerne son utilisation dans les applications microélectroniques. "Le fait que le nitrure d'aluminium scandium soit particulièrement bien adapté aux composants électroniques de puissance, en raison de ses propriétés physiques, a déjà fait ses preuves, " explique le Dr.-Ing. Michael Mikulla, chef de projet chez Fraunhofer IAF. L'objectif du projet est de faire croître du ScAlN adapté au réseau sur une couche de GaN et d'utiliser les hétérostructures résultantes pour traiter des transistors à haute capacité de transport de courant. "Structures fonctionnelles semi-conductrices à base de matériaux à large bande interdite, tels que le nitrure d'aluminium de scandium et le nitrure de gallium, autoriser des transistors avec des tensions et des courants très élevés. Ces dispositifs atteignent une densité de puissance plus élevée par surface de puce ainsi que des vitesses de commutation plus élevées et des températures de fonctionnement plus élevées. Ceci est synonyme de pertes de commutation plus faibles, une plus grande efficacité énergétique et des systèmes plus compacts, " ajoute le Prof. Dr. Oliver Ambacher, directeur de Fraunhofer IAF. "En combinant les deux matériaux, GaN et ScAlN, nous voulons doubler la puissance de sortie maximale possible de nos appareils tout en réduisant considérablement la demande d'énergie, " dit Mikulla.

Travaux pionniers dans la recherche sur les matériaux

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

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