In dem kürzlich gestarteten Projekt „Erforschung von funktionalen Halbleiterstrukturen für eine energieeffiziente Leistungselektronik“ (kurz: „Leistungselektronik 2020+“) geht es um das noch unerforschte Halbleitermaterial Scandiumaluminiumnitrid (ScAlN). Prof. Dr. 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.
Silicium-Technologie stößt an ihre Grenzen
Verantwortlich für das starke Wachstum des Elektronikmarktes sind drei Hauptfaktoren: die Automatisierung und die Digitalisierung der Industrie sowie das steigende Bewusstsein für ökologische Verantwortung und nachhaltige Prozesse. Der Energieverbrauch kann nur gesenkt werden, wenn elektronische Systeme leistungsfähiger und gleichzeitig energie- und ressourceneffizienter werden.
Bislang dominiert Silicium die Elektronikindustrie. Neben seinen relativ geringen Kosten und seiner fast perfekten Kristallstruktur ist es auch deshalb ein besonders erfolgreiches Halbleitermaterial, weil seine Bandlücke sowohl eine gute Ladungsträgerkonzentration und -geschwindigkeit als auch eine gute Spannungsfestigkeit ermöglicht. Allerdings stößt die Silicium-Elektronik allmählich an ihre physikalischen Grenzen: Insbesondere in Bezug auf die geforderte Leistungsdichte und Kompaktheit sind leistungselektronische Bauelemente aus Silicium unzureichend.
Neue Materialkomposition bringt mehr Leistung
Mit dem Einsatz des Halbleiters Galliumnitrid (GaN) in der Leistungselektronik konnten bereits die Limitierungen der Silicium-Technologie überwunden werden. GaN besitzt die Fähigkeit, bei sehr hohen Spannungen, Temperaturen und Schaltfrequenzen eine größere Leistungsfähigkeit als Silicium aufzuweisen und ermöglicht damit eine signifikant höhere Energieeffizienz. Bei zahlreichen energieaufwendigen Anwendung bedeutet dies eine deutliche Senkung des Energieverbrauchs.
Das Fraunhofer IAF erforscht seit mehreren Jahren GaN-Halbleiterstrukturen und entwickelt elektronische Bauteile und Systeme auf GaN-Basis. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten sind mithilfe von industriellen Partnern bereits in kommerziellen Anwendungen im Einsatz. In dem Projekt „Leistungselektronik 2020+“ gehen die Forscherinnen und Forscher nun einen Schritt weiter, um die Energieeffizienz und Lebensdauer zukünftiger Elektroniksysteme noch einmal zu steigern. Dafür soll zusätzlich ein anderes Material erstmalig eingesetzt werden: Scandiumaluminiumnitrid (ScAlN).
Erste Bauteile auf ScAlN-Basis
ScAlN ist ein piezoelektronisches Halbleitermaterial mit einer großen Spannungsfestigkeit, das weltweit für Anwendungen in der Mikroelektronik weitgehend unerforscht ist. „Dass sich Scandiumaluminiumnitrid aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften besonders für den Einsatz in leistungselektronischen Bauelementen eignet, konnte bereits nachgewiesen werden“, sagt Michael Mikulla, Projektleiter auf Seiten des Fraunhofer IAF. Konkret geht es darum, ScAlN gitterangepasst auf einer GaN-Schicht zu wachsen und mit den daraus hergestellten Heterostrukturen Transistoren mit hoher Stromtragfähigkeit zu prozessieren.
„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 Institutsleiter Ambacher. Mikulla ergänzt: „Unser Ziel ist es, mit der Materialkombination von GaN und ScAlN die maximal mögliche Ausgangsleistung des Bauelements bei einem deutlich geringeren Energiebedarf zu verdoppeln.“
Unerforschtes Terrain betreten
Eine der größten Herausforderungen dieses Projektes ist das Kristallwachstum, da für diese Materialstruktur weder Wachstumsrezepte noch Erfahrungswerte existieren. Für das 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.
Das Forschungsprojekt wird in enger Kooperation zwischen der Universität Freiburg, dem Fraunhofer IAF, dem Leistungszentrum Nachhaltigkeit sowie dem in Erlangen beheimateten Fraunhofer IISB als Mitglied des Leistungszentrums Elektroniksysteme durchgeführt. Diese neue Form der Zusammenarbeit zwischen der universitären Forschung und der anwendungsbezogenen Entwicklung soll als Modell für zukünftige Projektkooperationen dienen.
„Zum einen fördert dieses Modell die Zusammenarbeit mit Unternehmen durch die zeitnahe Überführung von Ergebnissen der Grundlagenforschung in anwendungsorientierte Entwicklungen. Zum anderen erschließt es Synergien zwischen zwei fachlich komplementären Fraunhofer-Leistungszentren in zwei unterschiedlichen Regionen und verbessert dadurch deren Angebot an potenzielle Kunden aus der Halbleiterindustrie“, begründet Ambacher die Forschungskooperation.
