02.09.2019

Feldeffekttransistor mit Rekordwerten

Leistungstransistor aus Galliumoxid wartet mit sehr hohen Durchbruchspannungen und niedrigen Widerständen auf.

Für die Kommunikation der Zukunft, für den digitalen Wandel der Gesellschaft und Anwendungen der künstlichen Intelligenz sind leistungs­fähige elektronische Bauelemente unerlässlich. Auf möglichst wenig Fläche sollen sie bei niedrigem Energieverbrauch immer höhere Leistungsdichten erreichen und damit effizienter arbeiten. Herkömmliche Bauelemente stoßen hierbei an ihre Grenzen. Daher forschen weltweit Wissenschaftler an neuartigen Materialien und Bauelementen, die diese Anforderungen erfüllen. Dem Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchst­frequenztechnik (FBH) ist nun ein Durchbruch mit Transistoren auf der Basis von Galliumoxid (ß-Ga2O3) gelungen.

 

Abb.: Galliumoxid-Chip mit Transistor- und Mess­strukturen, hergestellt...
Abb.: Galliumoxid-Chip mit Transistor- und Mess­strukturen, hergestellt mittels Projektions­belichtung (Bild: FBH / schurian.com)

Die neu entwickelten ß-Ga2O3-MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt­transistor) liefern eine hohe Durchbruch­spannung bei zugleich hoher Stromleit­fähigkeit. Mit 1,8 Kilovolt Durchbruchs­spannung und einer Rekord-Leistung von 155 Megawatt pro Quadratzentimeter erreichen sie weltweit einzigartige Kennzahlen nahe dem theoretischen Material­limit von Galliumoxid. Die erzielten Durchbruch­feldstärken liegen zugleich weit über jenen von etablierten Halbleitern mit großer Bandlücke wie etwa Silizium­karbid oder Gallium­nitrid.

Um diese Verbesserungen zu erreichen, setzte das FBH-Team an der Schichtstruktur und an der Gate-Topologie an. Die Basis lieferten Substrate aus dem Leibniz-Institut für Kristall­züchtung (IKZ) mit einer optimierten epitaktischen Schichtstruktur. Dadurch verbesserten sich die Defekt­dichte verringert und die elektrischen Eigenschaften. Dies führt zu niedrigeren Widerständen im eingeschalteten Zustand.

Das Gate ist die zentrale „Schaltstelle“ bei Feldeffekttransistoren, die über die Gate-Source-Spannung gesteuert wird. Dessen Topologie haben die Forscher so weiterentwickelt, dass die hohen Feldstärken an der Gate-Kante reduziert werden konnten. Dies wiederum führt zu höheren Durchbruch­spannungen.

FVB / DE

 

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