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 在電力電子領域，當前仍然占據主導地位的硅技術將無法在可以預見的未來滿足不斷增長的需求。大學、協會和電力中心的科學家們已經聯合起來，研究一種可以更好地滿足未來工業需求的部件及新型材料結構。現在，這些科學家正在研究一種也許大多數電子工程師也未曾聽說過的新材料：ScAIN。

電子行業的自動化和數字化對生態責任和可持續性提出了越來越高的要求，只有電子系統繼續提高能源效率和資源使用效率，才能降低能耗，推動電子市場的發展。

到目前為止，在電子行業中占據主導地位的材料仍然是硅。除了具備較低的成本和幾乎完美的晶體結構外，硅的帶隙能夠實現良好的電流密度、速度，并具備良好的介電強度，所以成為了一種特別成功的半導體材料。不過，隨著未來的元件需要更高的功率密度，以及搭載這些器件的設備要求日益緊湊，硅電子器件也慢慢地達到了其物理極限。

通過在功率電子器件中使用半導體氮化鎵（GaN），已經在部分程度上克服了硅技術的限制。在非常高的電壓、溫度和開關頻率下，氮化鎵可以表現出比硅更高的性能，因此能夠顯著提高能量效率。在眾多能源密集型應用中，這意味著能耗的顯著降低。

位于德國弗賴堡的弗勞恩霍夫應用固態物理研究所（IAF）多年來一直在研究GaN半導體結構，并開發基于GaN的電子元件和系統。在行業合作伙伴的幫助下，這項研究成果已經成功地實現商業應用。在最近啟動的“電力電子2020+”項目中，研究人員現在正在進一步提高能源效率和未來電子系統的使用壽命。為了達到這個目標，研究人員首次使用了另一種新型材料：鈧氮化鋁（ScAlN）。

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，它在微電子領域的應用潛力在很大程度上還未被開發出來。“科學研究已經證明，鈧氮化鋁的物理特性使它特別適用于電子電子元件。”弗勞恩霍夫應用固態物理研究所的項目經理MichaelMikulla解釋道。

具體而言，研究的目標是在與晶格匹配的GaN層上生長ScAlN，并且利用由其產生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（例如氮化鈧和氮化鎵）的半導體結構使得晶體管能夠實現非常高的電壓和電流。這些器件實現了單位芯片面積上更高的功率密度以及更高的開關速度，并可承受更高的工作溫度。這些綜合性的性能轉化為更低的開關損耗、更高的能效和更緊湊的系統，”弗勞恩霍夫研究所主任、弗萊堡大學可持續技術系統研究所（INATECH）的電力電子學教授OliverAmbacher解釋道。目前，研究人員最重要的短期目標之一是將GaN和ScAIN材料組合在一起，使得組件的最大輸出功率翻倍，同時顯著降低能耗。

這個研究項目面臨的一個最大挑戰是晶體生長，因為這種材料結構沒有歷史經驗可供參考，也不存在生長配方。項目研發團隊將在未來幾個月內克服這個障礙，以獲得可以重復得出的結果，并生成可以成功地用在電力電子應用中的層結構。