Hoppa till innehåll
EN In english

III-nitrider med låg defekttäthet för grön kraftelektronik

Diarienummer
EM16-0024
Projektledare
Darakchieva, Vanya
Start- och slutdatum
180116-221231
Beviljat belopp
34 999 909 kr
Förvaltande organisation
Linköping University
Forskningsområde
Materialvetenskap och materialteknologier

Summary

High power semiconductor technology and systems are of great importance for Swedish industry, which hold strong positions in automotive, communication, defence, and power sectors, with companies like Volvo, Ericsson, Saab and ABB. The III-N materials are considered a key technology in this field, enabling lower loss, improved performance and reduced costs in a wide range of applications. To reach the full potential of the III-N materials, the ultimate solution is to grow device structures on native bulk substrates, but GaN substrates are prohibitively expensive and AlGaN substrates are not available. We will develop III-N device structures on low-dislocation-density Ga(Al)N wafers for vertical power devices in the medium to high voltage range (600 V - 5 kV and beyond). The Ga(Al)N wafers are made using a novel nanowire-based growth technique that transforms arrays of nanowires into planar layers with dislocations densities comparable to bulk material. Low-doped epitaxial layers that enable expansion to higher voltages and currents will be grown on these wafers using state-of-the-art hot-wall MOCVD techniques. Efficient intentional n- and p-type doping will be developed, and device fabrication of both junction barrier Schottky diode and power switch device architectures will be explored. The main expected result is a cost-effective process for III-N based high power devices that enables a faster transition to efficient conversion, transport and utilization of electric power.

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.