Alternative zu GaN und SiC Wird Galliumoxid das nächste Material für Leistungshalbleiter?

Ein japanisches Konsortium möchte Galliumoxid als Material für Leistungshalbleiter bis 2018 zur Marktreife führen. Aufgrund seiner größeren Bandlücke, anderer wichtiger Materialeigenschaften sowie geringerer Kosten könnte dieses Material konkurrenzfähiger sein als SiC und GaN.

In Japan hat sich unter Führung der New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) mehrere Firmen, darunter Silvaco Japan, das National Institute of Information and Communication Technology, Tamura, die Tokyo University of Agriculture and Technology sowie New Japan Radio, zusammengefunden, um das Projekt »Research and Development on Fundamental Technologies of Gallium Oxide Power Devices« durchzuführen.

Das National Institute of Information and Communication Technology sowie die Firmen Tamura und Koha haben bereits einen MOSFET aus Galliumoxid (Ga2O3) entwickelt, und Tamura bietet Ga2O3-Substrate bereits kommerziell an. Laut Tamura haben diese Transistoren bei gegebener Durchbruchspannung etwa 3000-mal geringere Verluste als Bausteine aus Silizium beziehungsweise etwa zehn Mal weniger als solche aus Siliziumkarbid (SiC). Transistoren und Dioden aus Galliumoxid werden voraussichtlich höhere Durchbruchspannungen, eine höhere Schaltleistung und eine geringere Verluste im Vergleich zu herkömmlichen Verbundhalbleitern aufweisen. Somit eignet sich Galliumoxid als Material für Leistungshalbleiter nicht nur besser als Silizium, sondern auch als SiC und GaN.

Das Züchtungsverfahren aus einer Schmelze, das bei Ga2O3 zum Einsatz kommt, benötigt relativ wenig Energie und ist recht kostengünstig, weil zur Herstellung großer Substrate keine hohen Temperaturen und/oder hohe Drücke nötig sind und weniger Ausgangsmaterial benötigt wird. Da die Substratherstellung für einen großen Prozentsatz (etwa 60%) der Gesamtproduktionskosten von Leistungsbauelementen mit großer Bandlücke (SiC, GaN und Diamant) verantwortlich sind, erwarten die Forscher, dass große einkristalline Ga2O3-Substrate (Durchmesser über 6 Zoll bis 8 Zoll) zehn bis hundert Mal weniger kosten als SiC und GaN-Substrate.

Um Galliumoxid als Material für Leistungshalbleiter der nächsten Generation zu fördern, reicht dieses japanische Projekt von der Erforschung der grundlegenden physikalischen Eigenschaften bis zu Technologien für zukünftige industrielle Anwendungen, wie beispielsweise Technologien für das Bulk- und Dünnschicht-Kristallwachstum, die Prozesstechnik und Modultechnologien. Ziel dieses Projektes ist es, die grundlegenden Technologien für Ga2O3-Leistungsbauelemente bis zum Geschäftsjahr 2018 zu etablieren. Ferner ist es theoretisch möglich im Schmelzzüchtungsverfahren aus ß-Ga2O3 einkristalline Substrate mit großem Durchmesser zu erzeugen.