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Materialforschung für die Leistungselektronik Oxid-Halbleiter erreicht Bandlücke über 7 eV

Von Dipl.-Ing. (FH) Michael Richter 1 min Lesedauer

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Siliziumdotierte Aluminium-Galliumoxid-Schichten verbinden Bandlücken über 7 eV mit elektrischer Leitfähigkeit. Erste Dioden und Transistoren zeigen das Potenzial des auf Saphir gewachsenen Materials.

Darstellung der gewünschten Eigenschaften eines Halbleiters mit großer Bandlücke.(Bild: Jacob Steele et al.)
Darstellung der gewünschten Eigenschaften eines Halbleiters mit großer Bandlücke.
(Bild: Jacob Steele et al.)

Eine große Bandlücke allein macht noch keinen nutzbaren Leistungshalbleiter: Auch die elektrische Leitfähigkeit muss sich gezielt einstellen lassen. Ein Forschungsteam um Darrell Schlom von der Cornell University berichtet nun in Nature über einen Fortschritt bei dieser Kombination. Die Wissenschaftler stellten siliziumdotierte Schichten aus Aluminium-Galliumoxid in der Alpha-Kristallphase her, deren Bandlücke mehr als 7 eV beträgt.

Der Aluminiumanteil ermöglicht es, die Bandlücke des Oxids zu vergrößern. Gleichzeitig erschwert er jedoch die Bereitstellung freier Elektronen für den Stromtransport. Das Team nutzte zur Herstellung der Schichten die Suboxid-Molekularstrahlepitaxie auf Saphirsubstraten. Während des Wachstums eingebrachtes Silizium dient als Elektronendonator.

Im Bereich oberhalb von 6 eV erreichten die Schichten bei Raumtemperatur laut Forschern eine mehr als 100 Millionen Mal höhere Leitfähigkeit als zuvor für diesen Bandlückenbereich berichtet. Zusätzlich realisierte das Team eine Schottky-Diode und einen Feldeffekttransistor mit dem Namen „AlphaFET“. Die Bauelemente nutzen Material mit Bandlücken oberhalb von 6 eV.

In der Leistungselektronik ist vor allem das Zusammenspiel aus hoher elektrischer Feldfestigkeit und guter Leitfähigkeit entscheidend, denn ein Bauelement soll im ausgeschalteten Zustand hohe Spannungen sperren und im eingeschalteten Zustand möglichst geringe Verluste verursachen. Eine größere Bandlücke bietet dafür grundsätzlich Potenzial, garantiert aber noch keinen besseren Schalter. Der Fortschritt liegt hier darin, dass die Dotierung auch bei sehr großen Bandlücken freie Ladungsträger bereitstellt.

Vom Materialnachweis zum Leistungsschalter

Die Ergebnisse eröffnen eine Perspektive für Leistungshalbleiter mit sehr großen Bandlücken. Für die Fertigung ist Saphir als bereits breit verfügbares Substrat interessant. Ob daraus wirtschaftlich herstellbare Leistungsschalter entstehen, bleibt jedoch offen.

Die demonstrierten Bauelemente sind zunächst ein Funktionsnachweis. Für einen praktischen Vorteil gegenüber etablierten Technologien müssen künftig unter anderem Sperrfähigkeit, Durchlass- und Schaltverluste sowie Wärmeabfuhr und Langzeitstabilität überzeugen. (mr)

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