Neues Material soll Grenzen der Silizium-Elektronik überwinden

8.4.2019

Scandiumaluminiumnitrid (ScAlN), ein bisher in der Mikroelektronik wenig erforschtes Halbleitermaterial, wird im kürzlich gestarteten Projekt »Leistungselektronik 2020+« genutzt. Ziel ist es, effizientere leistungselektronische Systeme zu entwickeln und den Weg für die nächste Generation der Elektronik zu ebnen. Denn die bislang dominierende Elektronik auf Basis von Silizium (Si) wird den steigenden industriellen Ansprüchen in absehbarer Zeit nicht mehr gerecht.

© Fraunhofer IAF

Der Markt für Elektronik wächst rasant und schon jetzt ist absehbar, dass Technologien auf Silizium-Basis den industriellen Ansprüchen im Bereich der Leistungselektronik zukünftig nicht mehr gerecht werden.

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Ein Forschungsteam am Fraunhofer IAF (Fraunhofer Attract project »PiTrans«) 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.

Limits der Silizium-Technologie

Si, ein Halbleitermaterial mit geringen Kosten und einer fast perfekten Kristallstruktur, stößt allmählich an seine physikalischen Grenzen: Insbesondere in Bezug auf die geforderte Leistungsdichte und Kompaktheit sind leistungselektronische Bauelemente aus Si unzureichend.

Neue Materialkomposition für mehr Leistung und Effizienz

Mit dem Einsatz des Halbleiters Galliumnitrid (GaN) in der Leistungselektronik konnten bereits die Limitationen der Si-Technologie überwunden werden. GaN weist bei sehr hohen Spannungen, Temperaturen und Schaltfrequenzen eine größere Leistungsfähigkeit als Si auf und ermöglicht damit eine signifikant höhere Energieeffizienz. In dem Projekt »Erforschung von funktionalen Halbleiterstrukturen für eine energieeffiziente Leistungselektronik«, kurz »Leistungselektronik 2020+« arbeiten Forschende daran, die Energieeffizienz und Lebensdauer zukünftiger Elektroniksysteme noch einmal zu steigern. Dafür soll zusätzlich ein anderes Material erstmalig eingesetzt werden: ScAlN.

Erste Bauteile auf ScAlN-Basis

ScAlN als piezoelektronisches Halbleitermaterial ist vielversprechend, denn aufgrund der physikalischen Eigenschaften eignet es sich besonders für den Einsatz in leistungselektronischen Bauelementen. Konkret geht es darum, ScAlN gitterangepasst auf einer GaN-Schicht wachsen zu lassen und mit den daraus hergestellten Heterostrukturen Transistoren mit hoher Stromtragfähigkeit zu prozessieren.

»Die Bauelemente erreichen eine höhere Leistungsdichte gemessen an der Chip-Fläche sowie größere Schaltgeschwindigkeiten und höhere Betriebstemperaturen, was gleichbedeutend mit geringeren Schaltverlusten, höherer Energieeffizienz und kompakteren Systemen ist«, erläutert Prof. Oliver Ambacher, Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF.

Pionierarbeit in der Materialforschung

Eine der größten Herausforderungen dieses Projekts ist das Kristallwachstum, da für diese Materialstruktur weder Wachstumsrezepte 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.

 

Projektteilnehmer:

• Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

• Fraunhofer IAF

• Fraunhofer IIS

• Leistungszentrum Elektroniksysteme

• Leistungszentrum Nachhaltigkeit