Scienza e ricerca

This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme under grant agreement – no 720527

Scienza e ricerca

Risparmio energetico, questione anche di microelettronica

11 ottobre 2017

Produrre energia sostenibile, a basso costo e in modo efficiente. Sono queste le linee su cui si sta muovendo l’Unione Europea in tema di politica energetica: a spingere in questa direzione sono in particolare la dipendenza dalle importazioni di energia, per un costo annuo di 350 miliardi di euro, e la crescente domanda mondiale (e scarsità) di combustibili fossili, che contribuisce all’aumento dei prezzi. Senza contare le ricadute a livello ambientale, in termini di riscaldamento globale e inquinamento, dovute all’impiego di queste fonti di energia. Per tali ragioni l’obiettivo entro il 2030 è di ridurre del 40% rispetto al 1990 le emissioni di gas serra, di utilizzare almeno il 27% di energie rinnovabili, realizzare il 15% di interconnessione elettrica tra gli Stati membri e aumentare del 30% l’efficienza energetica. Per raggiungere questi risultati l’Europa investe. Ne è un esempio il progetto InRel-NPower (Innovative Reliable Nitride based Power Devices and Applications), coordinato dall’università di Padova, al quale sono stati destinati più di sette milioni di euro. L’impegno è di realizzare sistemi di conversione energetica più efficienti di quelli odierni, che sfruttino le potenzialità di nuovi materiali: il nitruro di gallio e il nitruro di alluminio. Questi semiconduttori permettono infatti di realizzare dispositivi che, nel convertire l’energia da una forma a un’altra, sono in grado di limitare le perdite di conversione energetiche.

Oggi il 40% dell’energia utilizzata a livello mondiale è energia elettrica e si stima che la soglia possa raggiungere il 60% entro il 2040. Quando si utilizza corrente elettrica per alimentare un computer o per caricare la batteria di un cellulare, si perde energia: è come se innaffiassimo il nostro giardino con un tubo di irrigazione pieno di buchi. “Considerato che oggi a livello mondiale si assiste a una perdita del 10% dell’energia prodotta – spiega Gaudenzio Meneghesso del dipartimento di Ingegneria dell’informazione e coordinatore generale del progetto – si comprende la necessità di realizzare dei circuiti elettronici di conversione che abbiano un’efficienza di almeno il 99%, con gli ovvi benefici che ne deriveranno in termini di costi e impatto ambientale”.  

Fino a questo momento, la maggior parte dei sistemi elettronici sono stati realizzati utilizzando come semiconduttore il silicio, che ora però inizia a manifestare i suoi limiti fisici specie in applicazioni come l’optoelettronica o sistemi per il trattamento dell’energia (un esempio sono i veicoli elettrici). I dispositivi basati su nitruro di gallio, grazie alle migliori proprietà fisiche, sono in grado di lavorare a voltaggi (o tensioni), frequenze e temperature più elevate, caratteristiche in grado di ridurre del 90% le perdite di energia determinate dalle odierne tecnologie. I sistemi di conversione che utilizzano questo materiale possono essere più piccoli, compatti e meno ingombranti di quelli attuali, con un impatto importante sui costi oltre che sulle prestazioni. “Il nitruro di gallio è però difficile da trattare – continua Meneghesso – e non ha la purezza (o perfezione) del silicio: serve dunque da un lato migliorare il materiale, dall’altro il modo in cui si realizzano i dispositivi, che devono non solo essere migliori in termini di prestazioni, ma devono anche assicurare un livello di robustezza e affidabilità tale da garantire il prodotto per almeno 20 anni (si pensi ad esempio all’elettronica di una automobile). Oggi, nonostante l’efficienza dei dispositivi su nitruro di gallio sia ormai stata dimostrata, il grado di affidabilità e di robustezza richiesto non è ancora stato raggiunto”.  

Il lavoro dei ricercatori parte da qui e si sta muovendo su tre livelli. Oltre alla realizzazione di transistor al nitruro di gallio robusti e affidabili, che il gruppo di ricerca intende sviluppare entro il 2019 (anno di termine del progetto) gli scienziati mirano a individuare anche strutture innovative, diverse da quelle odierne, che permettano di sfruttare al meglio le potenzialità di questi nuovi materiali, aumentando le prestazioni dei dispositivi finali. Infine, la sfida maggiore sarà la costruzione di dispositivi basati su nitruro di alluminio, materiale quest’ultimo che a livello teorico potrebbe permettere di ottenere dispositivi con un’efficienza ancora maggiore di quelli su nitruro di gallio. In questo settore però le difficoltà aumentano, perché c’è ancora poca esperienza a livello internazionale. Per tale ragione fanno parte del gruppo di lavoro due università giapponesi specializzate nel settore, la Mie university e la Kyushu university, che con l’istituto di ricerca tedesco Fraunhofer contribuiranno ai lavori con il loro bagaglio di competenze.

L’università di Padova, in particolare, oltre ad avere il ruolo di coordinamento dei lavori, interverrà fattivamente nella fase centrale del processo. Nel laboratorio di microelettronica dell’ateneo, nato tra gli anni Ottanta e Novanta e divenuto punto di riferimento a livello internazionale per lo studio dell’affidabilità dei dispositivi elettronici ed optoelettronici, verranno testati e validati i transistor prodotti da alcuni dei partner del progetto, la On Semiconductor, il National Centre for Scientific Research e l’University of Lille. “Noi riceveremo i dispositivi – spiega Meneghesso – ne identificheremo i punti di forza e di debolezza e individueremo eventuali problematiche sui materiali o sulla struttura del dispositivo su cui intervenire. In seguito, i transistor che supereranno i test verranno mandati alle aziende partner, Bosch, CE+T e Siemens, le quali inseriranno a loro volta i dispositivi in un sistema reale: un convertitore per un impianto fotovoltaico o un inverter per un motore elettrico, solo per fare qualche esempio. È a quel punto che si potrà verificare l’effettiva superiorità dei transistor basati su nitruro di gallio rispetto a quelli al silicio in termini di efficienza energetica”.

Si prevede che il mercato emergente dei semiconduttori nitruro di gallio e carburo di silicio, nel 2020 supererà il valore di un miliardo di dollari, per la crescente domanda di veicoli ibridi ed elettrici, di alimentatori e di inverter fotovoltaici. A livello mondiale si stima che i guadagni dalle vendite saliranno a 3,7 miliardi nel 2025 dai 210 milioni del 2015. In questo mercato i dispositivi in nitruro di gallio, sebbene apparsi recentemente, dimostrano di avere un grande potenziale. “Per queste ragioni – concludono gli scienziati – se l’Europa intende svolgere un ruolo competitivo in questo settore deve impegnarsi a sviluppare nuove tecnologie orientate al prodotto e al mercato, coinvolgendo tutta la filiera produttiva”. Una strada, quest’ultima, che sta evidentemente percorrendo il consorzio di ricerca guidato da Padova.

Monica Panetto