Leistungselektronik: Was kommt nach Silizium?

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Neue Materialkombination für Halbleiter

Während Galliumnitrid bereits seinen Weg in die Anwendungen gefunden hat, geht ein Forscherteam einen Schritt weiter, um die Energieeffizienz und Lebensdauer zukünftiger Elektroniksysteme erneut zu steigern. Im Frühjahr 2018 haben sich Wissenschaftler aus Universität, Fraunhofer-Gesellschaft und Leistungszentren zusammengeschlossen, um eine neuartige Materialstruktur zu erforschen, die im Zusammenspiel mit GaN den Anforderungen der Industrie an die zukünftige Leistungselektronik weit besser genügen soll als die etablierten Technologien.

Es handelt sich um das noch wenig erforschte Halbleitermaterial Scandiumaluminiumnitrid (ScAlN). In dem von der Fraunhofer-Gesellschaft finanzierten Projekt mit der Kurzbezeichnung „Leistungselektronik 2020+“ plant das Forscherteam, die beiden Halbleiterstrukturen GaN und ScAlN zu kombinieren und damit die bisher für die Leistungselektronik limitierenden physikalischen Grenzen zu verschieben.

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Scandiumaluminiumnitrid – weltweit wenig erforscht

ScAlN ist ein stark piezoelektronisches Halbleitermaterial, das eine große Spannungsfestigkeit verspricht, jedoch für Anwendungen in der Mikroelektronik bisher nicht genutzt wird. Dass es sich aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften besonders für den Einsatz von Barrieren in „High Electron Mobility“-Transistoren mit sehr geringen Kanalwiderständen eignet, konnte bereits nachgewiesen werden.

„Funktionale Halbleiterstrukturen basierend auf Materialien mit großer Bandlücke wie etwa GaN und ScAlN ermöglichen Transistoren für sehr hohe Spannungen und Ströme. Die Bauelemente erreichen eine höhere Leistungsdichte pro Chipfläche sowie größere Schaltgeschwindigkeiten und höhere Betriebstemperaturen, was gleichbedeutend mit geringeren Schaltverlusten, höherer Energieeffizienz und kompakteren Systemen ist“, erläutert Prof. Dr. Oliver Ambacher, Institutsleiter des Fraunhofer IAF. Das Ziel dieser Vorlaufforschung besteht darin, mit der Materialkombination von GaN und ScAlN die maximal mögliche Ausgangsleistung des Bauelements bei einer deutlich höheren Energieeffizienz zu verdoppeln.

Konkret geht es dem Forscherteam darum, ScAlN gitterangepasst auf einer GaN-Schicht zu wachsen und mit den daraus hergestellten Heterostrukturen Transistoren mit hoher Stromtragfähigkeit zu prozessieren. Wird eine metallpolare ScAlN-Schicht epitaktisch auf eine GaN-Schicht aufgebracht, dominiert die positive, polarisationsinduzierte Ladung von ScAlN die Grenzfläche. Aufgrund dieser positiv geladenen ScAlN/GaN-Grenzfläche werden frei bewegliche Elektronen angezogen, und es bildet sich ein zweidimensionales Elektronengas. Berechnungen haben gezeigt, dass die polarisationsinduzierte Elektronenflächendichte in diesen Materialstrukturen zwei- bis viermal größer ist als in bisher bekannten und vergleichbaren Halbleitern, die sich zur Prozessierung von leistungselektronischen Bauelementen eignen.

Leistungselektronik: Pionierarbeit für Materialien von morgen

Die Forscher gehen davon aus, dass die Kombination von Galliumnitrid und Scandiumaluminiumnitrid genau die Eigenschaften aufweist, welche die Leistungselektronik von morgen erfüllen muss. Doch dieses Potenzial lässt sich nur dann ausschöpfen, wenn es ihnen gelingt, einkristalline Materialstrukturen mit perfekter Qualität und Grenzfläche herzustellen.

„Eine der größten Herausforderungen dieses Projektes ist das Kristallwachstum, da für diese Materialstruktur weder Wachstumsrezepte noch Erfahrungswerte existieren und die Materialeigenschaften von der Reinheit der Halbleiterstrukturen abhängen“, berichtet Mikulla, der das Projekt auf Seiten des Fraunhofer IAF leitet. Für sein Projektteam gilt es, diese Hürde in den nächsten Monaten zu überwinden, um zu reproduzierbaren Resultaten zu gelangen und Schichtstrukturen herzustellen, die erfolgreich für leistungselektronische Anwendungen eingesetzt werden können. Die Fraunhofer-Forscher arbeiten an Halbleitermaterialien für eine besonders energieeffiziente Leistungselektronik, die das zukünftige Zeitalter jenseits der Siliziumtechnologie prägen sollen.

Dieser Beitrag stammt von unserem Partnerportal Laborpraxis.

* Jennifer Funk arbeitet in Marketing and Communications am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg.

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