III-nitrider med låg defekttäthet för grön kraftelektronik
- Diarienummer
- EM16-0024
- Start- och slutdatum
- 180116-231231
- Beviljat belopp
- 34 999 909 kr
- Förvaltande organisation
- Linköping University
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
Halvledarteknologi och –system för höga spänningar och strömmar är viktiga för svensk industri, som har en stark position inom fordons-, kommunikations-, försvars- och kraftområdena, med företag som Volvo, Ericsson, Saab och ABB. III-N-materialen anses vara nyckeln i denna teknologi, då de möjliggör låga förluster, bättre prestanda och lägre kostnader i många olika användningsområden. För att nå III-N-materialens fulla potential är det nödvändigt att växa komponentstrukturerna på bulk-substrat av samma material, men GaN-substrat är än så länge väldigt dyra, och AlGaN-substrat finns ännu inte tillgängliga. Vi kommer att utveckla strukturer för III-N-komponenter på Ga(Al)N substrat med låg dislokationstäthet, för medel- till högvoltsområdet (>600 V). Ga(Al)N substraten tas fram genom en nyskapande nanotrådsbaserad tillväxtteknik som transformerar nanotrådar till plana skikt med dislokationstätheter jämförbara med bulk-substrat. Lågdopade epitaxiella skikt som möjliggör expansion av III-N-teknologin till högre spänningar och strömmar kommer att växas på dessa substrat via state-of-the-art MOCVD teknik. Effektiv, avsiktlig dopning av n- och p-typ kommer att utvecklas, och komponenter kommer att tillverkas för både JBS dioder och kraftswitchar. Det övergripande resultatet från projektet kommer att vara en kostnadseffektiv process för III-N-baserade högeffektskomponenter som möjliggör en snabbare omställning till effektiv omvandling, transport och användning av elkraft.
Populärvetenskaplig beskrivning
Klimatförändringarna är vår tids största utmaning. Idag kommer mer än 80% av världens energiproduktion från fossila bränslen, och utbyggnaden av förnybar energi står för endast 1/5-del av den totala ökningen av energiproduktionen. Om vi ska hålla jämna steg med den ökande efterfrågan, och inte öka utsläppen från energiproduktion, krävs stora energibesparingar parallellt med utbyggnaden av förnybar energiproduktion för att klara uppsatta klimatmål. Ett effektivt sätt att spara energi är att minska förluster i elektriska system. År 2030 kommer upp till 80% av all elektrisk energi som produceras att passera genom ett eller flera omvandlingssteg i så kallade AC/DC eller DC/DC-omvandlare. Effektiviteten i dessa omvandlingssteg är idag låg, med förluster på upp till 65%. Genom att minimera dessa förluster nås ytterligare fördelar, eftersom mycket av förlusterna blir till värme som måste kylas bort, och det går åt energi även för kylningen. III-nitrid-teknologin, där material som GaN och AlGaN används, möjliggör en effektiv, energisnål, kraftelektronik. Den är dock fortfarande för dyr för att få ett större genomslag. En av utmaningarna med dessa material ligger i att kunna producera hög-rena (låg-dopade) skikt som klarar att hantera höga spänningar (>1 kV). För att nå III-N-materialens fulla potential är det dessutom nödvändigt att använda så kallade bulk-substrat, som är gjorda av samma III-N-material som resten av komponenten. Tyvärr är GaN-substrat än så länge väldigt dyra, och AlGaN-substrat finns ännu inte tillgängliga. För svensk industri, som har en stark position inom fordons- , kommunikations-, försvars- och kraftområdena, med företag som Volvo, Ericsson, Saab och ABB, är kostnadseffektiv, energisnål kraftelektronik viktig. I detta projekt kommer vi att utveckla strukturer för III-N-komponenter på Ga(Al)N substrat med låg dislokationstäthet, för medel- till högvoltsområdet. Substraten kommer att tas fram med en nyskapande nanotrådsbaserad tillväxtteknik som transformerar nanotrådar till plana skikt med mycket hög kvalitet. Lågdopade epitaxiella skikt som möjliggör expansion av III-N-teknologin till högre spänningar och strömmar kommer att växas på dessa substrat, och komponenter kommer att tillverkas för spänningar >600 V. Det övergripande resultatet från projektet kommer att vara en kostnadseffektiv process för III-N-baserade högeffektskomponenter som möjliggör en snabbare omställning till effektiv omvandling, transport och användning av elkraft.