Leistungshalbleiter Neues Material besser als GaN

Ein Forscherteam am Fraunhofer IAF beschäftigt sich bereits seit mehreren Jahren mit den piezoelektrischen Eigenschaften von ScAlN für den Einsatz in Hochfrequenzfiltern. Das Foto zeigt den Test solcher Bauelemente auf einem Wafer.
Ein Forscherteam am Fraunhofer IAF beschäftigt sich bereits seit mehreren Jahren mit den piezoelektrischen Eigenschaften von ScAlN für den Einsatz in Hochfrequenzfiltern. Das Foto zeigt den Test solcher Bauelemente auf einem Wafer.

Scandiumaluminiumnitrid verspricht noch bessere Wirkungsgrade und längere Lebensdauern für Leistungskomponenten als bisherige Si-Alternativen.

In dem Projekt »Leistungselektronik 2020+« erforschen Wissenschaftler, inwieweit sich Scandiumaluminiumnitrid (ScAlN) als Ausgangsmaterial für Leistungshalbleiter nutzen lässt. Prof. Dr. Oliver Ambacher, Institutsleiter des Fraunhofer IAF und Professor für Leistungselektronik am Institut für Nachhaltige Technische Systeme (INATECH) der Universität Freiburg, koordiniert die überregionale Zusammenarbeit.

ScAlN ist ein piezoelektronisches Halbleitermaterial mit einer großen Spannungsfestigkeit, das weltweit für Anwendungen in der Mikroelektronik weitgehend unerforscht ist. »Dass sich Scandiumaluminiumnitrid aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften besonders für den Einsatz in leistungselektronischen Bauelementen eignet, konnte bereits nachgewiesen werden«, erklärt Dr.-Ing. Michael Mikulla, Projektleiter auf Seiten des Fraunhofer IAF. Konkret geht es darum, ScAlN gitterangepasst auf einer GaN-Schicht zu wachsen und mit den daraus hergestellten Heterostrukturen Transistoren mit hoher Stromtragfähigkeit zu aufzubauen.

»Funktionale Halbleiterstrukturen basierend auf Materialien mit großer Bandlücke wie Scandiumaluminiumnitrid und Galliumnitrid ermöglichen Transistoren für sehr hohe Spannungen und Ströme. Die Bauelemente erreichen eine höhere Leistungsdichte pro Chip-Fläche sowie größere Schaltgeschwindigkeiten und höhere Betriebstemperaturen, was gleichbedeutend mit geringeren Schaltverlusten, höherer Energieeffizienz und kompakteren Systemen ist«, erläutert Prof. Dr. Oliver Ambacher, Institutsleiter des Fraunhofer IAF. »Unser Ziel ist es, mit der Materialkombination von GaN und ScAlN die maximal mögliche Ausgangsleistung des Bauelements bei einem deutlich geringeren Energiebedarf zu verdoppeln«, sagt Mikulla.

Kristallwachstum ist erste Hürde

Eine der größten Herausforderungen dieses Projektes ist das Kristallwachstum, weil für diese Materialstruktur weder Wachstums-Rezepte noch Erfahrungswerte existieren. Für das Projektteam gilt es, diese Hürde in den nächsten Monaten zu überwinden, um zu reproduzierbaren Resultaten zu gelangen und Schichtstrukturen herzustellen, die erfolgreich für leistungselektronische Anwendungen eingesetzt werden können.

 Wissenstransfer zwischen Freiburg und Erlangen

Das Forschungsprojekt wird in enger Kooperation zwischen der Universität Freiburg, dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF, dem Leistungszentrum Nachhaltigkeit sowie dem in Erlangen beheimateten Fraunhofer IISB als Mitglied des Leistungszentrum Elektroniksysteme durchgeführt. Diese neue Form der Zusammenarbeit zwischen der universitären Forschung und der anwendungsbezogenen Entwicklung soll als Modell für zukünftige Projektkooperationen dienen. »Zum einen fördert dieses Modell die Zusammenarbeit mit Unternehmen durch die zeitnahe Überführung von Ergebnissen der Grundlagenforschung in anwendungsorientierte Entwicklungen. Zum anderen erschließt es Synergien zwischen zwei fachlich komplementären Fraunhofer-Leistungszentren in zwei unterschiedlichen Regionen und verbessert dadurch deren Angebot an potenzielle Kunden aus der Halbleiterindustrie«, begründet Prof. Ambacher die Forschungskooperation.