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Forscher entwickeln neues Halbleitermaterial

Leistungselektronik: Was kommt nach Silizium?

| Autor / Redakteur: Jennifer Funk* / Dr. Ilka Ottleben

Technologien auf Silicium-Basis werden den industriellen Ansprüchen im Bereich der energieeffizienten Leistungselektronik zukünftig nicht mehr gerecht werden.
Technologien auf Silicium-Basis werden den industriellen Ansprüchen im Bereich der energieeffizienten Leistungselektronik zukünftig nicht mehr gerecht werden. (Bild: ©Mihail - stock.adobe.com)

Ohne Silizium wäre unser Elektronik- und Computerzeitalter nicht denkbar. Und der Markt wächst rasant und fordert immer leistungsstärkere und kleinere Bauteile. Doch allmählich stößt Silizium an seine physikalischen Grenzen. Ein neues Material soll seine Nachfolge übernehmen: Scandiumaluminiumnitrid.

Wir leben im Siliziumzeitalter. Das Material steckt in jedem gängigen Computerchip, Speicher oder Transistor und prägt durch seine Bedeutung in der Elektronikindustrie auch den Namen unserer heutigen Zeit. Seit über 50 Jahren gibt die siliziumbasierte Mikroelektronik ein in der Industriegeschichte bislang einzigartiges Tempo vor: Alle 24 Monate verdoppelt sich die Zahl der Transistoren auf einem Chip und damit die Rechenleistung der Prozessoren. Dieses Mooresche Gesetz bildet die wesentliche Grundlage der digitalen Revolution und damit auch unserer technischen Möglichkeiten von heute. Parallel dazu wurden auch in der Leistungselektronik, die unsere Computer mit der benötigten elektrischen Energie versorgt, immer kompaktere und effizientere Lösungen auf Si-Basis entwickelt.

Siliziumbasierte Bauteile können weder kleiner noch leistungsstärker werden

Nun aber erreicht die siliziumbasierte Halbleiterelektronik das Ende der bislang ungebremsten Miniaturisierung und der gleichzeitigen Leistungssteigerung. „Die Entwickler sind bei der kleinstmöglichen Abmessung und der größtmöglichen Leistungsdichte von siliziumbasierten Bauteilen angekommen. Noch kompakter und gleichzeitig leistungsstärker geht es nicht“, resümiert Dr.-Ing. Michael Mikulla, Geschäftsfeldleiter Leistungselektronik am Fraunhofer IAF. Doch genau das fordert der Elektronikmarkt, der unaufhaltsam wächst und hohe Anforderungen an zukünftige leistungselektronische Systeme stellt. Folglich: Die Leistungselektronik braucht ein neues Halbleitermaterial.

Der Markt für Leistungselektronik kennt kein Zurück

Verantwortlich für die hohen Ansprüche des Marktes sind nicht nur die Automatisierung und die damit einhergehende Digitalisierung in der Industrie, sondern auch unser steigendes Bewusstsein für ökologische Verantwortung und der Wunsch nach einer Senkung des Energieverbrauchs. Alleine der Automobilsektor mit den Trends zur Elektromobilität und zum autonomen Fahren wird in absehbarer Zeit die wichtigste Abnehmerindustrie für leistungselektronische Komponenten. Bereits heute werden etwa 40 Prozent der weltweit verbrauchten Energie in Form von elektrischem Strom bereitgestellt. Bis 2050 soll dieser Anteil auf etwa 60 Prozent steigen.

Diese gewaltigen Energiemengen müssen nicht nur ressourcen- und umweltschonend erzeugt, sondern auch effizient genutzt werden. Der weltweite Energieverbrauch kann erst dann gesenkt werden, wenn elektronische Systeme mehr leisten und gleichzeitig weniger Energie verbrauchen. Das kann nur mit einer stärkeren Miniaturisierung und einer Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz von leistungselektronischen Systemen erreicht werden.

Doch genau daran scheitert Silizium. Das Halbleitermaterial war neben seinen relativ geringen Kosten und seiner fast perfekten Kristallstruktur auch deswegen jahrzehntelang so erfolgreich, weil seine Bandlücke von 1,1 eV sowohl eine gute Ladungsträgerkonzentration und Geschwindigkeit als auch eine gute Spannungsfestigkeit ermöglicht. „Aber insbesondere in den erreichbaren Betriebsfrequenzen und Durchbruchspannungen sind leistungselektronische Bauelemente aus Silizium, gemessen an den industriellen Anforderungen, unzureichend“, gibt Mikulla zu bedenken. Diese Entwicklung sei schon seit einiger Zeit absehbar und motiviere die Forscher bei ihrer Suche nach Alternativen.

Galliumnitrid (GaN) als eine Alternative

Mit dem Einsatz des Halbleiters Galliumnitrid (GaN) in der Leistungselektronik konnten bereits viele Limitierungen der Siliziumtechnologie überwunden werden. Bei sehr hohen Spannungen, Temperaturen und Schaltfrequenzen weist GaN eine größere Leistungsfähigkeit als Silizium auf. So ermöglicht der Halbleiter eine signifikant höhere Energieeffizienz und gilt schon seit Längerem als Siliziumnachfolger bei hohen Ausgangsleistungen. Leistungstransistoren aus GaN beispielsweise verbessern die grundlegenden elektrischen Eigenschaften von energieeffizienten Spannungswandlern: den spezifischen Einschaltwiderstand, die Schaltfrequenz und als Folge davon auch die Energieeffizienz der Spannungswandlung.

Das Fraunhofer IAF entwickelt GaN-basierte Leistungstransistoren, die im Vergleich zu Siliziumbauelementen im Anwendungsbereich bis 900 V eine Verbesserung des spezifischen Einschaltwiderstands um den Faktor 10 erreichen und damit deutlich geringere Verlustleistungen aufweisen. Zudem bieten GaN-basierte Leistungsbauelemente eine signifikante Steigerung der Schaltfrequenz. Die erste Generation von GaN/Si-basierten Transistoren hat eine Verbesserung von 33 Prozent gegenüber modernen Silizium-MOSFETs realisieren können.

Ergänzendes zum Thema
 
LP-Info: Galliumnitrid und 5G Mobilfunk

Angesichts einer radikalen Verbesserung des Produkts aus Einschaltwiderstand und Gate-Kapazität, der um eine Größenordnung besser ist als bei modernsten Si-Lösungen, verspricht eine GaN-basierte Leistungselektronik einen immensen Fortschritt hinsichtlich kostengünstiger Schaltungen zur energieeffizienten Spannungswandlung. Erste leistungselektronische Komponenten auf Basis von Galliumnitrid sind bereits in kommerziellen Anwendungen im Einsatz.

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.

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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