Neues Material, um die Grenzen der Elektronik auf Siliziumbasis zu erweitern

21. Januar 2019, Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF

Das Fraunhofer IAF entwickelt elektronische Komponenten und Systeme auf Basis von GaN. Das Bild zeigt einen bearbeiteten GaN-Wafer. Bildnachweis: Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF

Der Elektronikmarkt wächst stetig, ebenso die Nachfrage nach immer kompakteren und effizienteren leistungselektronischen Systemen. Die vorherrschenden elektronischen Bauteile auf Siliziumbasis werden in absehbarer Zeit den steigenden industriellen Anforderungen nicht mehr gerecht. Aus diesem Grund haben sich Wissenschaftler der Universität Freiburg, des Nachhaltigkeitszentrums Freiburg und der Fraunhofer-Gesellschaft zusammengeschlossen, um eine neue Materialstruktur zu erforschen, die möglicherweise besser für die zukünftige Leistungselektronik geeignet ist.

Das kürzlich gestartete Projekt "Erforschung funktionaler Halbleiterstrukturen für eine energieeffiziente Leistungselektronik" (kurz "Leistungselektronik 2020+") untersucht das neuartige Halbleitermaterial Scandiumaluminiumnitrid (ScAlN). Prof. Dr. Oliver Ambacher, Direktor des Fraunhofer IAF und Professor für Leistungselektronik am Institut für Nachhaltige Systemtechnik (INATECH) der Universität Freiburg, koordiniert die überregionale Zusammenarbeit.

Drei Schlüsselfaktoren sind für das starke Wachstum des Elektronikmarktes verantwortlich : die Automatisierung und Digitalisierung der Branche sowie das zunehmende Bewusstsein für ökologische Verantwortung und nachhaltige Prozesse. Der Stromverbrauch kann nur gesenkt werden, wenn elektronische Systeme gleichzeitig energieeffizienter und ressourcenschonender werden.

Aktuell dominiert Silizium die Elektronikindustrie. Mit seinen relativ geringen Kosten und seiner nahezu perfekten Kristallstruktur ist Silizium ein besonders erfolgreiches Halbleitermaterial geworden, auch weil seine Bandlücke sowohl eine gute Ladungsträgerkonzentration und -geschwindigkeit als auch eine gute Durchschlagsfestigkeit ermöglicht. Die Siliziumelektronik stößt jedoch allmählich an ihre physikalische Grenze. Insbesondere im Hinblick auf die erforderliche Leistungsdichte und Kompaktheit sind Silizium-Leistungselektronikkomponenten unzureichend.

Innovative Materialzusammensetzung für mehr Leistung und Effizienz

Die Grenzen der Siliziumtechnologie wurden bereits durch die Verwendung von Galliumnitrid (GaN) als Halbleiter in der Leistungselektronik überwunden. GaN ist bei hohen Spannungen, hohen Temperaturen und schnellen Schaltfrequenzen besser als Silizium . Dies geht einher mit einer deutlich höheren Energieeffizienz - bei zahlreichen energieverbrauchenden Anwendungen bedeutet dies eine deutliche Reduzierung des Energieverbrauchs. Das Fraunhofer IAF erforscht seit vielen Jahren GaN als Halbleitermaterial für elektronische Bauelemente und Systeme. Mit Hilfe von Industriepartnern wurden die Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten bereits kommerziell genutzt. Die Wissenschaftler des Projekts "Power Electronics 2020+" werden noch weiter gehen, um die Energieeffizienz und Langlebigkeit der nächsten Generation elektronischer Systeme noch einmal zu verbessern . Zu diesem Zweck wird ein anderes und neuartiges Material verwendet: Scandiumaluminiumnitrid (ScAlN).

Ein Forscherteam des Fraunhofer IAF beschäftigt sich seit vielen Jahren mit den piezoelektrischen Eigenschaften von ScAlN für den Einsatz in Hochfrequenzfiltern. Das Bild zeigt die Charakterisierung solcher Geräte auf einem Wafer. Bildnachweis: Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF

ScAlN ist ein piezoelektrisches Halbleitermaterial mit einer hohen Spannungsfestigkeit, das hinsichtlich seiner Verwendbarkeit in mikroelektronischen Anwendungen weltweit weitgehend unerforscht ist. "Dass sich Scandiumaluminiumnitrid aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften besonders gut für leistungselektronische Bauteile eignet, wurde bereits nachgewiesen", erklärt Dr.-Ing. Michael Mikulla, Projektleiter des Fraunhofer IAF. Ziel des Projektes ist es, gitterangepasstes ScAlN auf einer GaN-Schicht zu züchten und daraus resultierende Heterostrukturen zur Verarbeitung von Transistoren mit hoher Strombelastbarkeit zu nutzen. Funktionale Halbleiterstrukturen auf der Basis von Materialien mit großer Bandlücke, wie Scandiumaluminiumnitrid und Galliumnitrid, ermöglichen Transistoren mit sehr hohen Spannungen und Strömen. Diese Bauelemente erreichen eine höhere Leistungsdichte pro Chipoberfläche sowie höhere Schaltgeschwindigkeiten und einen höheren Betriebszustand Dies ist ein Synonym für geringere Schaltverluste, höhere Energieeffizienz und kompaktere Systeme ", ergänzt Prof. Dr. Oliver Ambacher, Direktor des Fraunhofer IAF. "Durch die Kombination der beiden Materialien GaN und ScAlN wollen wir die maximal mögliche Ausgangsleistung unserer Geräte verdoppeln und gleichzeitig den Energiebedarf erheblich senken", sagt Mikulla.

Pionierarbeit in der Materialforschung

Eine der größten Herausforderungen des Projekts ist das Kristallwachstum, da es für dieses Material weder Wachstumsrezepte noch Erfahrungswerte gibt. Das Projektteam muss diese in den nächsten Monaten entwickeln, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen und Schichtstrukturen zu erzeugen, die erfolgreich für leistungselektronische Anwendungen eingesetzt werden können.

Das Forschungsprojekt wird in enger Zusammenarbeit zwischen der Universität Freiburg, dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF, dem Nachhaltigkeitszentrum Freiburg sowie dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen durchgeführt das Hochleistungszentrum für elektronische Systeme in Erlangen. Diese neue Form der Zusammenarbeit zwischen universitärer Forschung und anwendungsorientierter Entwicklung soll als Vorbild für die zukünftige Projektzusammenarbeit dienen. "Dieses Modell erleichtert zum einen die Zusammenarbeit mit Unternehmen, indem Ergebnisse aus der Grundlagenforschung zeitnah in die anwendungsorientierte Entwicklung überführt werden. Zum anderen werden Synergien zwischen zwei technisch komplementären Fraunhofer-Zentren aus zwei verschiedenen Regionen erschlossen und damit verbessert." beide ihre Angebote für potentielle Kunden der Halbleiterindustrie ", sagt Prof. Ambacher.