Die bislang dominierende Elektronik auf Basis von Silizium wird den steigenden industriellen Ansprüchen auf Dauer nicht mehr gerecht. Eine neuartige Materialstruktur scheint den künftigen Anforderungen weit besser zu genügen.
Wafer auf GaN-Basis
Fraunhofer IAF
Bislang dominiert Silizium die Elektronikindustrie. Silizium ist neben seinen relativ geringen Kosten und seiner fast perfekten Kristallstruktur auch deshalb ein besonders erfolgreiches Halbleitermaterial, weil seine Bandlücke sowohl eine gute Ladungsträger-Konzentration und -Geschwindigkeit als auch eine gute Spannungsfestigkeit ermöglicht. Allerdings stößt die Silizium-Elektronik allmählich an ihre physikalischen Grenzen - insbesondere in Bezug auf die geforderte Leistungsdichte und Kompaktheit. Forscher haben deshalb eine neuartige Materialstruktur ins Auge gefasst, die den Anforderungen der Industrie an zukünftige Leistungselektronik weit besser genügen soll: Scandiumaluminiumnitrid (ScAlN).
In dem kürzlich gestarteten Projekt "Erforschung von funktionalen Halbleiterstrukturen für eine energieeffiziente Leistungselektronik" (Leistungselektronik 2020+) geht es um dieses noch wenig unerforschte Halbleitermaterial. Oliver Ambacher, Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik (IAF) und Professor für Leistungselektronik am Institut für Nachhaltige Technische Systeme (INATECH) der Universität Freiburg, koordiniert die überregionale Zusammenarbeit.
Mit dem Einsatz des Halbleiters Galliumnitrid (GaN) in der Leistungselektronik konnten bereits Limitierungen der Silizium-Technologie überwunden werden.
Ein weiteres vielversprechendes, geradeaufkommendes Basismaterial mit hohem Bandabstand ist Galliumnitrid (GaN), das in dünnen Schichten auf SiC- oder Si-Trägermaterial abgeschieden wird." Leistungselektronische Schaltungen, Seite 1352.
GaN besitzt die Fähigkeit, bei sehr hohen Spannungen, Temperaturen und Schaltfrequenzen eine größere Leistungsfähigkeit als Silizium aufzuweisen und ermöglicht damit eine signifikant höhere Energieeffizienz. Bei zahlreichen Anwendung bedeutet dies eine deutliche Senkung des Energieverbrauchs. In dem Projekt Leistungselektronik 2020+ gehen die Forscher nun mit Scandium dotierten Aluminiumnitrid einen Schritt weiter.
Erste Bauteile auf ScAlN-Basis
ScAlN ist ein piezoelektronisches Halbleitermaterial mit einer großen Spannungsfestigkeit. "Funktionale Halbleiterstrukturen basierend auf Materialien mit großer Bandlücke wie Scandiumaluminiumnitrid und Galliumnitrid ermöglichen Transistoren für sehr hohe Spannungen und Ströme. Die Bauelemente erreichen eine höhere Leistungsdichte pro Chip-Fläche sowie größere Schaltgeschwindigkeiten und höhere Betriebstemperaturen, was gleichbedeutend mit geringeren Schaltverlusten, höherer Energieeffizienz und kompakteren Systemen ist", erläutert Ambacher.