ニュース： マイクロエレクトロニクス
2 年 １ 月 2023 日
電力の流れを調整するパワートランジスタは、伝統的にシリコンで作られてきましたが、より高度なトランジスタは炭化ケイ素 (SiC) または窒化ガリウム (GaN) で作られています。 しかし、アリゾナ州立大学の電気・コンピューター・エネルギー工学部（Ira A. Fulton Schools of Engineering）の電気工学教授である Trevor Thornton は、ダイヤモンドとホウ素という XNUMX つの新しいトランジスタ材料の使用を研究するチームを率いています。窒化物（BN）。
ソーントンのチームは、ASU の Advanced Materials, Processes, and Energy Devices Science and Technology Center (AMPED STC) を通じて研究を行っています。 AMPED の目標は、先端技術の開発におけるアリゾナ州の競争力を向上させることを目的とした、アリゾナ州のニュー エコノミー イニシアチブの使命をサポートするために、業界パートナーと共に材料と技術を開発することです。 AMPED は特に、バッテリー、太陽光発電、パワー エレクトロニクスの構築に使用される技術と材料の開発を目指しています。
研究チームには、ソーントンと、材料科学および工学の教授であるテリー アルフォード、電気工学の教授であるスティーブン グッドニック、および物理学のリージェンツ教授であるロバート ネマニッチを含む他の ASU の教員、ならびに電気工学および工学の博士課程の学生が含まれます。材料科学と工学。 彼らは、プロジェクトの業界パートナーとして Northrop Grumman Mission Systems と協力しています。
ダイヤモンド効率が輝く
ソーントン氏によると、ダイヤモンドは既存の材料と比較して熱伝導率が高く、たとえば窒化ガリウムの 8 ～ 10 倍であるため、トランジスタの材料として研究されています。 ダイヤモンドの可能性を最大限に活用すれば、トランジスタのサイズを 90% 縮小できると考えられています。
ダイヤモンドはまた、破壊電界が高く、つまり、破損する前にほとんどの材料に比べて高い電圧を処理できるため、大量の電力を処理するアプリケーションに適しています。
写真: アリゾナ州立大学の研究室で人工ダイヤモンドが成長しています。 写真提供: Franz Koeck/ASU.
チームがトランジスタの本体に選んだ材料はダイヤモンドですが、トランジスタの電気接点に窒化ホウ素を使用することも検討しています。
ダイヤモンドと同様に、窒化ホウ素は高い絶縁破壊電界と高い熱伝導率を備えています。 Goodnick の役割は、主に窒化ホウ素トランジスタの使用に関するコンピューター モデリングとシミュレーションに関係しています。
チームは、ダイヤモンドと窒化ホウ素がトランジスタ材料としてどのように機能するかについての知識を組み合わせることで、両方の材料からトランジスタを作成できると期待しています。 素材が互いに補完し合い、個々にではなく組み合わせることでより効果的に機能することを願っています。
「ダイヤモンドや窒化ホウ素などの超ワイドバンドギャップ半導体材料は、はるかに小さなコンポーネントで少ない電力を使用して、より効率的なエネルギー変換をもたらすことが期待されています」と Goodnick は言います。 「これにより、将来のエネルギー網が改善されます。これは、再生可能エネルギーへの継続的な移行と輸送部門の電化に不可欠です。」
通信を改善するための放熱の改善
この研究には、特に通信技術に役立つアプリケーションがある、と研究チームは述べています。 「変電所を宇宙に打ち上げることはできません」とソーントンは言います。 「衛星のサイズと重量の改善は、大きな影響を与えます。」
トランジスタが改善できるもう XNUMX つの通信技術は、携帯電話のタワーです。 トランジスタは、携帯電話が使用する無線周波数を生成するのに必要な形式に電力を変換します。
携帯電話タワーを設計および運用する際に直面する最大の課題の XNUMX つは、タワーを低温に保つことだと Thornton 氏は指摘します。 これは、フェニックスのような暑い環境では特に当てはまります。
古い携帯電話タワーのパワー トランジスタは通常シリコンで作られていますが、新しい 5G システムのパワー トランジスタは窒化ガリウムを使用しています。 ソーントンのチームは、ダイヤモンドと窒化ホウ素で作られたトランジスタは、熱放散が改善されているため、セルタワーに必要な冷却電力を大幅に削減し、過熱を防ぐのがはるかに簡単になると期待しています。
変電所の縮小
Northrop Grumman Mission Systems とのプロジェクトは通信技術に焦点を当てていますが、ダイヤモンドと窒化ホウ素で作られたトランジスタは、電気システムや配電網の電力変換にも応用されています。 これらのより効率的な材料は、通常、建物のサイズの土地を占有する送電網の変電所のサイズ要件を減らすことができます。
ASU物理学科の教員であるネマニッチは、パワーエレクトロニクスの研究を行う「弾力性のあるスマートな電力網のための超材料」（ULTRA）エネルギーフロンティア研究センター（EFRC）を率いています。 彼はまた、ソーントンのチームが研究で使用する人工ダイヤモンド材料を成長させるためのラボを率いています。
「私たちは過去 10 年間、電子機器用のダイヤモンドを栽培してきました」と Nemanich 氏は言います。 「私たちのダイヤモンド蒸着ラボには、電子材料とデバイスの開発のための独自の機能があります」と彼は信じています。
学際的な取り組み
ソーントンの電気工学の専門知識と電子材料としてのダイヤモンドに関するネマニッチの研究に加えて、物質、輸送、およびエネルギーの工学学校 (フルトン スクールの一部) の教員であるアルフォードは、材料科学に関する彼の専門知識を提供しています。
Alford は材料の特性評価に取り組んでおり、チームが調査している材料の特性を分析しています。 彼はまた、基板としてダイヤモンドに接続された新しいタイプの金属電気接点の使用を調査する研究の一部を主導し、Thornton との研究に関与する材料科学および工学の博士課程の学生に共同助言を行っています。
AMPED STC で Thornton のチームと協力することで、Alford は通常のトピックとは異なる研究を行う機会を得ました。 彼は、材料科学者としての彼の視点が、チームが目標を達成するのに役立つと信じています。 「私たちは、材料の欠陥の影響を理解したいという願望を持ち出しました」と Alford 氏は言います。 「これらの欠陥と、それらがデバイスのパフォーマンスにどのように影響するかを理解したいと考えています。」
エレクトロニクスの未来を見据えて
トランジスタ研究プロジェクトは、ノースロップ グラマン ミッション システムとの AMPED STC パートナーシップを通じて XNUMX 年間資金提供されます。 しかし、広範なアプリケーションに対するトランジスタの可能性を完全に実現するには、さらに時間がかかる可能性があると Thornton 氏は述べています。
「ブレークスルーはあるでしょうが、10 年から 10 年の間、私たちが話している方法で広く採用されるとは思えません」と彼は言います。 「それは中長期的な研究であり、一部のアプリケーションはより迅速に行われますが、他のアプリケーションは広範な消費者アプリケーションに XNUMX 年かかります。」
https://neweconomy.asu.edu/amped
www.northropgrumman.com/who-we-are/business-sectors/mission-systems
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- 情報源： https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/jan/asu-020123.shtml
