Beta-Galliumoxid Halbleitermaterial der Zukunft?

Das kürzlich gestartete Verbundprojekt „ForMikro-GoNext“ des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung (IKZ), des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), der Universität Bremen sowie der Industriepartner ABB Power Grids Switzerland und Aixron beschäftigt sich mit Beta-Galliumoxid (β-Ga2O3). Dieses Halbleitermaterial untersuchen die Projektpartner 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 (BMBF) mit rund 2 Millionen Euro über vier Jahre gefördert.

Das Material der nächsten Generation?

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 80 Prozent von ihnen 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 (SiC) und Galliumnitrid (GaN) erreichen eine höhere Durchbruchfeldstärke als Silizium, wodurch Bauelemente weit kompakter aufgebaut werden können. Im Vergleich zu SiC und GaN besitzt β-Ga2O3 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 β-Ga2O3-basierte Transistoren bei vorgegebener Spannungsfestigkeit durch einen niedrigen Einschaltwiderstand und schnellere Schaltvorgänge auszeichnen, was insgesamt zu geringeren Leistungsverlusten führt. Aufgrund dieser Eigenschaften hat β-Ga2O3 die besten Voraussetzungen im Hochleistungssektor das Material der nächsten Generation zu werden.

Bisher wurden laterale Ga2O3-Bauelemente 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 β-Ga2O3 durch eine vertikale Bauelementstruktur noch effizienter zu nutzen. Durch die bessere Chipflächennutzung sollen sich zudem Möglichkeiten zur vergleichsweise einfachen Skalierung der Bauelemente hin zu größeren, technisch relevanten Schaltströmen eröffnen. Zur Entwicklung dieser Transistoren ist eine angepasste Prozesskette vom Kristallwachstum über Epitaxie und Bauelementprozessierung bis hin zur Charakterisierung notwendig, die innerhalb des Projektes lückenlos abgedeckt wird.

Von der Grundlagen- in die anwendungsorientierte Forschung

Mit der Bündelung der Expertisen der Leibniz-Institute IKZ (Galliumoxid-Kristallzucht, Epitaxie und Materialcharakterisierung) und FBH (Bauteilentwurf, -fertigung und Test) sollen die Ergebnisse effizient von der Grundlagenforschung in die anwendungsorientierte industrienahe Forschung transferiert werden. Das Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente (IALB) der Universität Bremen sorgt mit seinen leistungselektronischen Charakterisierungsmöglichkeiten für die qualifizierte Einschätzung des Anwendungspotenzials der neuen Bauelemente. Zuverlässigkeitstests werden Aufschlüsse über die Stabilität der Ga2O3-Transistoren geben.