Verbundprojekt »ForMikro-GoNext« Galliumoxid für vertikale Leistungshalbleiter vorantreiben

Galliumoxid-Chip mit Transistor- und Messstrukturen, hergestellt am FBH mittels Projektionsbelichtung.
Lateraler Galliumoxid-Chip mit Transistor- und Messstrukturen, hergestellt am FBH mittels Projektionsbelichtung.

Um Beta-Galliumoxid dreht sich das Verbundprojekt ForMikro-GoNext. Involviert sind das Leibniz-Institut für Kristallzüchtung, das Ferdinand-Braun-Institut, die Universität Bremen sowie die Industriepartner ABB und Aixtron. Es wird vom BMBF mit rund 2 Mio. Euro über vier Jahre gefördert.

Neue Halbleitermaterialien mit großem Bandabstand wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) erreichen eine höhere Durchbruchfeldstärke als Silizium. Dadurch lassen sich Bauelemente weit kompakter aufbauen. Doch 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 Leistungswandlern weiter zu steigern. Hohe Spannungen können mit einem deutlich geringeren Materialaufwand geschaltet werden – die Basis für kompaktere Systeme.

Hinzu kommt, dass sich Transistoren aus Galliumoxid bei gegebener Durchbruchspannung durch einen niedrigen Einschaltwiderstand und schnellere Schaltvorgänge auszeichnen. Dies senkt insgesamt die Leistungsverluste. Aufgrund dieser Eigenschaften hat β-Ga2O3 beste Voraussetzungen im Hochleistungssektor das Material der nächsten Generation zu werden.

Bisher wurden laterale β-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. Ende August 2019 berichteten wir, dass das Ferdinand-Braun-Institut einen solchen MOSFET gebaut hat, der 155 MW/cm² bewältigt.

Das Verbundprojekt ForMikro-GoNext zielt darauf, die hohe Durchbruchfeldstärke von β-Ga2O3 durch eine vertikale Bauelementstruktur noch effizienter zu nutzen. Durch die bessere Nutzung der Chipfläche eröffnen sich zudem Möglichkeiten, die Bauelemente vergleichsweise einfach zu größeren, technisch relevanten Schaltströmen zu skalieren. 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.

Mit der Bündelung der Expertisen des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung IKZ (Galliumoxid-Kristallzucht, Epitaxie und Materialcharakterisierung), des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik 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. Das Projekt wird von den Industriepartnern ABB Power Grids Switzerland und Aixtron beratend begleitet – Aixtron im Bereich der Epitaxie, ABB bei Konzeption und Test der Bauelemente.