Neuer Halbleiterwerkstoff ScAlN soll Grenzen von Silizium überwinden

Elektronikanwendungen wachsen signifikant und fordern immer kompaktere und effizientere leistungselektronische Systeme. Die bislang dominierende Schaltungstechnik auf Basis von Silicium wird den steigenden industriellen Ansprüchen in absehbarer Zeit nicht mehr gerecht werden. ScAlN könnte die Lösung sein.

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Im Projekt „Erforschung von funktionalen Halbleiterstrukturen für eine energieeffiziente Leistungselektronik“ (kurz Leistungselektronik 2020+), das im März vergangenen Jahres gestartet wurde, geht es um den noch unerforschten Halbleiterwerkstoff Scandiumaluminiumnitrid (ScAlN). Prof. Oliver Ambacher, Institutsleiter des Fraunhofer IAF und Professor für Leistungselektronik am Institut für Nachhaltige Technische Systeme (INATECH) der Universität Freiburg, koordiniert die überregionale Zusammenarbeit zwischen Universitäten, Fraunhofer-Instituten und verschiedenen Leistungszentren.

Silicium-Technologie stößt an ihre physikalischen Grenzen

Bislang basieren die meisten elektronischen Schaltungen auf dem Halbleiter Silicium. Der Werkstoff ist aufgrund der relativ geringen Herstellkosten, der fast perfekten Kristallstruktur und der Bandlücke von 1,12 eV, die eine hohe Ladungsträgerkonzentration, -beweglichkeit und -geschwindigkeit ermöglicht und somit eine gute Spannungsfestigkeit, für Anwendungen in der Halbleiterindustrie prädestiniert. Allerdings stößt die Silicium-Technik allmählich an ihre physikalischen Grenzen: Insbesondere bei der geforderten Leistungsdichte und Kompaktheit sind leistungselektronische Bauelemente auf Basis von Silicium nicht mehr ausreichend. Alternativen bieten SiC und GaN.

Neuer Halbleiterwerkstoff ScAlN für mehr Leistung und Effizienz

ScAlN ist ein piezoelektrischer Halbleiter, der 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. Michael Mikulla, Projektleiter des Fraunhofer IAF.

Im Moment geht es darum, ScAlN gitterangepasst auf einer GaN-Schicht aufwachsen zu lassen und mit den daraus hergestellten Heterostrukturen Transistoren mit hoher Stromtragfähigkeit zu prozessieren.

„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 Ambacher. „Unser Ziel ist es, mit der Materialkombination von GaN und ScAlN die maximal mögliche Ausgangsleistung des Bauelements bei einem deutlich geringeren Energiebedarf zu verdoppeln“, ergänzt Mikulla.

Kooperation zwischen Uni und anwendungsbezogener Entwicklung

Eine der größten Herausforderungen dieses Projektes ist die Epitaxie. Das Projektteam will diese Hürde in den nächsten Monaten überwinden, um zu reproduzierbaren Resultaten zu gelangen. Die Wissenschaftler wollen Schichtstrukturen herstellen, die für leistungselektronische Anwendungen eingesetzt werden können.

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 Leistungszentrums Elektroniksysteme durchgeführt. Diese neue Form der Zusammenarbeit zwischen der universitären Forschung und der anwendungsbezogenen Entwicklung soll als Modell für zukünftige Projektkooperationen dienen. //KR

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