Neue Materialien GaN Galliumnitrid - Vom Konzept zur Realität

Neue Materialien verdrängen Leistungs-Halbleiter wie das Galliumnitrid.
Neue Materialien verdrängen Leistungs-Halbleiter wie das Galliumnitrid.

Die Leistungselektronik ist im Wandel. Neue Materialien mit breiter Bandlücke verdrängen Leistungs-Halbleiter aus Silizium unter anderem aus schnell schaltenden Anwendungen. Ein vielversprechendes Material ist dabei Galliumnitrid. Von Vorteil wäre es, die Wafer in herkömmlichen Silizium-Fabs zu bearbeiten.

Als Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke ist GaN hervorragend geeignet für Leistungsbausteine, die ohne große Schaltverluste bei signifikant höheren Frequenzen arbeiten, einen wesentlich niedrigeren Durchlasswiderstand und eine deutlich geringere Ein-/Ausgangskapazität aufweisen. Höhere Schaltfrequenzen ermöglichen eine substanzielle Volumenreduktion der passiven Komponenten wie Induktivitäten, Transformatoren und Kapazitäten. Die Hersteller von GaN-on-Si-Wafern unternehmen derzeit große Anstrengungen, deren Verarbeitung kompatibel zu den Werkzeugen und Prozessen bestehender Si-CMOS-Fabs zu machen.

Als Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke ist GaN hervorragend geeignet für Leistungsbausteine, die ohne große Schaltverluste bei signifikant höheren Frequenzen arbeiten, einen wesentlich niedrigeren Durchlasswiderstand und eine deutlich geringere Ein-/Ausgangskapazität aufweisen. Höhere Schaltfrequenzen ermöglichen eine substanzielle Volumenreduktion der passiven Komponenten wie Induktivitäten, Transformatoren und Kapazitäten. Die Hersteller von GaN-on-Si-Wafern unternehmen derzeit große Anstrengungen, deren Verarbeitung kompatibel zu den Werkzeugen und Prozessen bestehender Si-CMOS-Fabs zu machen.

Auf der Nürnberger PCIM im Mai dieses Jahres waren sie in Parade-Aufstellung zu sehen: An die zehn große Halbleiterhersteller kündigten GaN-Leistungsbausteine mit Nennspannungen von 650 V an oder zeigten schon ihre ersten Samples. Zahlreiche Applikationen für GaN-Transistoren werden propagiert: Batterieladegeräte, Motorsteuerungen, Solar-Inverter, Elektrofahrzeuge und andere. Ihr gemeinsames Kennzeichen: signifikante Verbesserungen in der Leistung. Während 2010 nur einer der Top 20 unter den Elektronikherstellern mit der Forschung und Entwicklung von GaN-Bausteinen beschäftigt war, haben heute beinahe alle ihre Strategien für die GaN-Technologie definiert. Die Akquisition des GaN-Pioniers International Rectifier durch Infineon ist ein wichtiger Indikator, dass der GaN-Markt vor dem Abheben steht und das Angebot von SiC-Leistungsbausteinen bald mit solchen aus GaN komplementiert wird.

Die prospektive Marktentwicklung für industrielle GaN-Produkte ermuntert die Hersteller von Epi-Wafern für GaN-Bausteine zur Konzeption von Fertigungsstandards für GaN-Wafer. Diese sind erforderlich zur Vergleichbarkeit von Produkten und deren Stabilität. Der belgische Hersteller EpiGaN bietet bereits Waferstrukturen nach definierten Vorgaben für ihre elektrische Charakteristik. Das gilt speziell für die neueste Generation mit Nennspannungen von 650 V.