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Interview mit Adam Khan, CEO von Akhan Semi

»Diamantenes Zeitalter« der Mikroelektronik kann kommen

15. Dezember 2015, 14:43 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Technische Hürden genommen

Wie haben Sie es geschafft, diese technischen Hürden zu nehmen?

Die jüngsten Fortschritte in der Synthese von nanokristallinem Diamant, abgekürzt NCD, bei niedriger Temperatur durch unseren Partner Argonne National Laboratory in wirtschaftlich rentabler Wafergröße eröffnete die Möglichkeit, Diamant mit niedriger Defektdichte abzuscheiden und gleichzeitig mit der bestehenden CMOS-Plattform kompatibel zu sein. Und durch den Einsatz eines neuartigen Dotierungsverfahrens, nämlich der Co-Dotierung mittels Ionenimplantation, ließ sich erstmals qualitativ hochwertiger n-Typ-NCD ohne Beschränkung der Schichtdicke herstellen.

Wie ist es Ihnen gelungen, die Kosten zu senken? Und wie viel kosten diamantbasierte Halbleiter im Vergleich zu entsprechenden Si-, SiC- und GaN-Komponenten?

Kernelement ist die Verbindung der beiden gerade beschriebenen Prozesse, also die Herstellung von n-dotiertem Diamant und hochwertigem Dünnschicht-NCD bei niedriger Temperatur. Dadurch lassen sich leistungsfähige Halbleiterbauelemente aus diesem Werkstoff zu so niedrigen Kosten produzieren, dass derartige Chips erstmals wirtschaftlich darstellbar sind.

Aus unserer Sicht ist NCD-basiertes Halbleitermaterial direkt wettbewerbsfähig mit Siliziumkarbid und preiswerter als Galliumnitrid. Zudem lässt es sich im Gegensatz zu den anderen Materialien sowohl direkt auf einem mono- als auch auf einem polykristallinen Siliziumwafer integrieren. Und berücksichtigt man die Kosten siliziumbasierter Elektronik auf Systemebene – also eingeschränktes Wärmebudget und höhere Packungsdichte bei gleichem Funktionsumfang –, können diamantbasierte Systeme ähnliche Kosten erzielen wie siliziumbasierte.

Wir nutzen Galliumnitrid-Wafer als Grundlage. Mit unserem proprietären CMOS-Prozess können wir nanokristallinen Diamant direkt darauf abscheiden. Dies ist also ganz anders als bei GaN-on-Si, wo mehrere Pufferschichten nötig sind, die außerdem Wärme relativ schlecht leiten. Derzeit haben die von uns genutzten GaN-Wafer einen Durchmesser von 200 mm, aber wir planen, innerhalb der nächsten 24 Monate auf größere Waferdurchmesser umzusteigen.

Welche Arten von Anwendungen können von diamantbasierten Halbleitern profitieren? Welche Märkte adressieren Sie?

Sehr schnelle und sehr leistungsstarke Halbleiter sind unter anderem in den Branchen Telekommunikation, Leistungselektronik und Solarwechselrichter heiß begehrt. Und die unstillbare Nachfrage der Verbraucher nach immer besseren Produkten schafft Gelegenheiten für Basistechnologien in der Telekom-Industrie. Darüber hinaus sind Hochleistungs- und HF-Bauteile in Mikrowellen-Leistungsverstärkern in der Zivil- und Verteidigungselektronik weit verbreitet.

Steigende Leistungsdichten sowie Leistungsfähigkeit bei gleichzeitig sinkenden Kosten sind eine Konstante in der Welt der Leistungshalbleiter. Und ein Ende dieses Trends ist nicht in Sicht. Wie allgemein bekannt, erreichen die Anforderungen an die Si-basierten Leistungsbauelemente in vielen Anwendungen ihr physikalisches Limit – ganz zu schweigen von zukünftigen Anwendungen, in denen das thermische Budget noch schmaler wird und die steigenden Anforderungen einschließlich höherer Sperrspannungen, Schaltfrequenzen, Effizienz und Zuverlässigkeit auf Systemebene die Kosten steigen haben lassen und zu wärmebezogene Bauteilausfällen geführt haben.

Da Diamant diese Probleme lösen kann sowie einem nächsten Schritt in Bezug auf Leistungsfähigkeit darstellt, würden darauf basierte Bauteile sofort in der Leistungsanpassung in für schnellen Schaltanwendungen Einsatz finden. Darunter fallen beispielsweise HF-Chips und monolithisch integrierte Mikrowellenschaltungen, sogenannte MMICs, welche die Halbleiterindustrie revolutionieren könnten.