19.11.2019 • Halbleiter

Neues Material für die Leistungselektronik der Zukunft

Neues Verbundprojekt erforscht vielversprechendes Halbleitermaterial Beta-Galliumoxid.

Im Rahmen des kürzlich gestarteten Verbundprojekts ForMikro-GoNext des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung, des Ferdinand-Braun-Instituts, des Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik, der Uni Bremen sowie der Industriepartner ABB Power Grids Switzerland und Aixtron untersuchen Forscher das Halbleitermaterial Beta-Galliumoxid in einer neuen vertikalen Bauelementarchitektur, um dessen herausragende Eigenschaften für Transistoren noch besser nutzen zu können. Das Verbundprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit etwa zwei Millionen Euro über vier Jahre gefördert.

Abb.: Galliumoxid-Chip mit lateralen Transistor- und Messstrukturen,... — Abb.: Galliumoxid-Chip mit lateralen Transistor- und Messstrukturen, hergestellt am FBH mittels Projektionsbelichtung. „ForMikro-GoNext“ zielt auf eine vertikale Bauelementarchitektur. (Bild: FBH / schurian.com)

Die moderne Gesellschaft stützt sich auf eine Vielzahl elektrischer und elektronischer Systeme, von der Kommunikation über die industrielle Fertigung bis hin zur E-Mobilität. Etwa achtzig Prozent davon benötigen die Umwandlung von Primärstrom in eine andere Form von Strom. Dafür muss elektrische Energie möglichst effizient umgewandelt werden. Neue Halbleitermaterialien mit großem Bandabstand wie Siliziumkarbid und Galliumnitrid erreichen eine höhere Durchbruchfeldstärke als Silizium, wodurch Bauelemente weit kompakter aufgebaut werden können. Im Vergleich besitzt Beta-Galliumoxid eine mehr als doppelt so hohe Durchbruchfeldstärke und somit das Potenzial, den Wirkungsgrad von damit bestückten Leistungskonvertern weiter zu steigern. Hohe Spannungen können mit einem deutlich geringeren Materialaufwand geschaltet werden – die Basis für kompaktere Systeme. Hinzu kommt, dass sich auf Beta-Galliumoxid basierende Transistoren bei vorgegebener Spannungsfestigkeit durch einen niedrigen Einschaltwiderstand und schnellere Schaltvorgänge auszeichnen, was insgesamt zu geringeren Leistungsverlusten führt. Aufgrund dieser Eigenschaften hat Beta-Galliumoxid die besten Voraussetzungen im Hochleistungssektor das Material der nächsten Generation zu werden.

Bisher wurden laterale Bauelemente aus Galliumoxid untersucht. Dabei wird die Spannung über die Bauteil-Oberfläche geschaltet, wodurch große Chipflächen für hohe Spannungen und umfangreiche Maßnahmen zur Isolation der Potentiale auf der Oberfläche notwendig sind. ForMikro-GoNext zielt darauf, die hohe Durchbruchfeldstärke des Materials Beta-Galliumoxid durch eine vertikale Bauelementstruktur noch effizienter zu nutzen. Durch die bessere Chipflächennutzung eröffnen sich zudem Möglichkeiten zur vergleichsweise einfachen Skalierung der Bauelemente hin zu größeren, technisch relevanten Schaltströmen. Zur Entwicklung dieser Transistoren ist eine angepasste Prozesskette vom Kristallwachstum über Epitaxie und Bauelementprozessierung bis hin zur Charakterisierung notwendig, die innerhalb des Projekts lückenlos abgedeckt wird.

FV Berlin / RK