Neues Material für die Leistungselektronik der Zukunft

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.

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

Weitere Infos

• Verbundprojekt ForMikro-GoNext, Bundesministerium für Bildung und Forschung