Galliumnitrid Die Halbleiter der nächsten Generation

Die Effizienz moderner Elektroniksysteme wird durch die aktiven Schaltelemente begrenzt. Die Silizium-Technologie stößt hier an ihre Grenzen. Bessere Materialeigenschaften verspricht GaN.

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Ferd.-Braun-Institut

Der III-V-Halbleiterwerkstoff Galliumnitrid (GaN) gehört nach Silizium-basierten Werkstoffen zu den wichtigsten Halbleitern in der Elektronikindus-trie. Er zeichnet sich durch eine große Bandlücke von 3,41 eV aus (Si: 1,12 eV), die einen großen Teil der physikalischen und elektronischen Eigenschaften bestimmt.

So ist der Einschaltwiderstand eines GaN-Transistors gegenüber einem Silizium-Transistor mit gleicher Stromtragfähigkeit mindestens eine Größenordnung besser. Eingangs- und Ausgangskapazitäten sind sehr viel kleiner. Aufgrund dessen schalten GaN-Bausteine viel schneller als Silizium-Transistoren.

Die Durchbruchsfeldstärke von 3,3 MV/cm (das ist etwa zehnmal so hoch wie bei Silizium) führt zu kompakteren Bauelementen und damit zu geringeren parasitären Verlusten. Die Schaltgeschwindigkeit ist im Vergleich zu Silizium etwa um den Faktor 10 höher. GaN-Bausteine lassen sich bei höheren Temperaturen betreiben, was den Kühlaufwand in damit ausgestatteten Systemen reduziert. Gerade bei Leistungskonvertern im Bereich Elektromobilität ist dies von Bedeutung.

Aufgrund dieser Eigenschaftskombinationen arbeitet GaN bei hohen Spannungen sehr effizient. Anwendungsgebiete sind u.a. Wechselrichter für Solar- und Windkraftanlagen, Stromversorgungen, Energieumsetzer für Elektrofahrzeuge, Motoransteuerungen, Mobilfunk-Stationen, satellitengestützte Solarkonverter für die Raumfahrttechnik.

Eine kostengünstige Massenproduktion ist derzeit allerdings noch nicht gegeben. Im Labormaßstab werden die GaN-Halbleiterbausteine von verschiedenen Forschungseinrichtungen und Firmen bereits produziert. Europäische, japanische und amerikanische Produkte sind auf dem Markt kommerziell verfügbar.

Technologietreiber und Marktentwicklung

Sehr weit fortgeschritten in der Entwicklung sind die Japaner, hier seien Unternehmen wie Fujitsu, Furukawa, Matsushita/Panasonic, Sharp, Toshiba, Sanken und Toyota genannt. In Amerika dominieren Efficient Power Conversion (EPC) und International Rectifier bei Leistungstransistoren den Markt.

Die Europäer haben, was die Leistungselektronik-Foundries anbetrifft, großen Aufholbedarf. Die Forschung steht hingegen auf internationalem Stand. Das ist sicher auch darauf zurückzuführen, dass in den vergangenen Jahren zahlreiche Forschungsprojekte initiiert wurden, an denen u.a. Forschungsinstitute wie das Ferdinand-Braun-Institut (FBH), das Fraunhofer IAF, die Universitäten Wien, Erlangen und Padua, die RWTH Aachen, IMEC sowie Firmen wie Tesat, Infineon Technologies Austria, EpiGaN, Bosch, IXYS, UMS sowie STM beteiligt sind. Die Gerätetechnik für das Wachstum der epitaktischen Schichten kommt zumeist von Aixtron aus Herzogenrath.

Das französische Marktforschungsunternehmen Yole Development sieht gute Chancen für den Halbleiter GaN und prognostiziert ein Marktwachstum für GaN-Leistungselektronik bis zum Jahr 2016 auf 500 Mio. US-$. Im Jahr 2013 dürfte laut Yole eine Verlagerung der reinen Forschungsaktivitäten hin zur Produktion stattfinden, was dem Markt noch einmal einen Schub auf 50 Mio. US-$ geben könnte (2012: 10 Mio. US-$). Im Jahr 2015 soll die Qualifikation von GaN für Elektrofahrzeuge den Markt nochmals beflügeln, Schätzungen belaufen sich auf jährliche Umsatzzahlen von etwa 1 Mrd. US-$, sollten sich die Automobilisten für GaN entscheiden. Insgesamt dürften sich dann etwa 12 bis 15 Unternehmen den weltweiten GaN-Markt von etwa 100.000 6-Zoll-Wafern teilen.

Galliumnitrid wird epitaktisch auf so genannten Fremdsubstraten mit mehr oder minder großer Gitterfehlanpassung abgeschieden. Die Herstellung von großen GaN-Einkristallen, aus denen die Wafer gesägt werden können, ist technologisch sowie materialtechnisch noch nicht zufriedenstellend gelöst. Es existieren zahlreiche Substratvarianten wie GaN auf Saphir, GaN-auf-SiC, GaN-auf-GaN, GaN-auf-AlN und GaN auf Silizium. GaN-auf-SiC ist die derzeit am häufigsten verwendete Technologie. Die Entwicklungen gehen aus Kostengründen in Richtung GaN-auf-Si. GaN-Epitaxieschichten auf 200-mm-Silizium-Wafern dürften den ökonomischen Durchbruch bringen.

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