Moderne Halbleitertechnologien GaN – Die Zeit ist reif

Grundlegende Technologie-Transformation im Power-Management und HF-Systeme.
Grundlegende Technologie-Transformation im Power-Management und HF-Systeme.

Die Vorteile von Galliumnitrid als Halbleitermaterial mit großem Bandabstand zeigen sich bereits bei Leistungsschaltern, HF-Leistungsverstärkern und Sensoren. Nun steht der Einsatz in Massenanwendungen bevor.

In den letzten Jahrzehnten dienten Si- und GaAs-basierte Technologien, Bauelemente und integrierte Schaltungen als Wegbereiter für Innovationen der Leistungselektronik wie 3G- und 4G-Mobilfunksysteme oder neuartige Topologien für Leistungswandler und Inverter. Die auf Si und GaAs realisierten Produkte wie Smart¬phones, Computer-Netzteile, Photovoltaik-Inverter und Motorantriebe mit variabler Geschwindigkeit sind inzwischen aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken.

Solche kommerziellen Applikationen wurden über mehrere Generationen von GaAs-HEMTs, HBTs, Si-MOSFETs und IGBTs mit stetig verbesserten Leistungsmerkmalen immer weiter entwickelt. Allerdings sind heute Verbesserungen nur mehr in kleinen Schritten machbar, denn die bisherigen Halbleitertechnologien nähern sich unaufhaltsam ihrem theoretischen Limit.

Stagnation in der Technologie-Entwicklung ist jedoch für eine moderne Gesellschaft keine Option. In diesem Sinne hat das Moore’sche Gesetz der exponenziell steigenden Computerleistung der Halbleiterindustrie über mehrere Dekaden hinweg als Richtschnur gedient, den allgemeinen technologischen Fortschritt definiert und die Denkweise der fortlaufenden schrittweisen Innovation geprägt. Jetzt allerdings scheint diese Gesetzmäßigkeit an ihr Ende zu kommen, denn die schrumpfenden Dimensionen traditioneller Si-Transistoren mit Strukturgrößen unter 10 nm stoßen auf unüberwindliche physikalische und ökonomische Barrieren.

Auch in Applikationsfeldern wie den Leistungswandlern trifft die Si-Technologie auf fundamentale Grenzen. Hier können die III-V-Halleitermaterialien und speziell die GaN-on-Si-Technologie einen Ausweg eröffnen. Denn hier verbindet eine neue WBG-Halbleitertechnologie (Wide Band Gap) eine signifikante Verbesserung der gegenwärtigen Si- und GaAs-Technologien mit der Wirtschaftlichkeit der Si-basierten Massenfertigung und realisiert damit auch einen ökonomischen Vorteil. Die nächste Generation der III-V-Halbleiter-Technologien kann also durch funktionale Diversifizierung in Kombination mit höherer funktionaler Integration und neuen Konzepten des Transistor-Designs beim Überleben des Moore’schen Gesetzes hilfreich sein.

Die Zukunft von GaN

Eine disruptive Technologie wie GaN bietet einen verlockenden Mehrwert, selbst wenn dieser sich nicht über Nacht realisieren lässt. Frühere Marktstudien zum Thema GaN haben sich oft als viel zu optimistisch herausgestellt, was die rasche kommerzielle Adoption der Technologie betrifft. Die existierenden Wertschöpfungsketten und Märkte sind sehr komplex; viele Entscheidungsträger an den unterschiedlichen Stellen der Wertschöpfungsketten müssen überzeugt werden, bevor ein Umdenken in Richtung neuer Technologien einsetzen kann. Außerdem differieren die Anforderungen der Endnutzer in verschiedenen Marktsegmenten signifikant in Bezug auf Leistungsbedarf, Kosten, Einfachheit im Einsatz oder Zuverlässigkeit.

Trotzdem ist die Zahl der durch die GaN-Technologie ermöglichten Applikationen wegen ihrer überlegenen Eigenschaften in den vergangenen Jahren erheblich gestiegen. Der Fokus der Entwicklung richtete sich anfangs hauptsächlich auf Leistungstransistoren für Schaltwandler mit 600 V und verlustarme DC/DC-Wandler mit niedrigeren Durchbruchspannungen. Dann kamen auch Applikationen in hochauflösenden LiDAR-Systemen, drahtlosen Ladeschaltungen (Wireless Charging), Envelope-Tracking-Systemen für 4G-LTE sowie Anwendungen in der Medizin oder im Umfeld hoher Strahlungsbelastungen auf. Alle diese Applikationen profitieren vom Mehrwert der ultraschnell schaltenden GaN-HEMTs (High Electron Mobility Transistor).

Entwicklungsziele

EpiGaN ist in der Forschung und Entwicklung von GaN-Epiwafern und GaN-Bausteinen für Leistungsschalter und HF-Anwendungen aktiv – mit dem Ziel, die GaN-Technologie auf dem Weg zur Kommerzialisierung voranzutreiben. Im Moment arbeitet das Unternehmen beispielsweise daran, dass sich HF-Leistungsbausteine auf GaN-on-Si-Basis in den heutigen 200-mm-Halbleiterfertigungslinien herstellen lassen. Daneben beschäftigt sich das Unternehmen mit der Entwicklung von HEMT-Heterostrukturen mit reinen AIN-Barrieren und In-situ-SiN-Cap-Schicht, mit denen sich die Leistungsmerkmale von HF-Transistoren erheblich verbessern lassen sollen.