Gastkommentar

Neue Maßstäbe in der Mikrowellen- und Leistungselektronik

14.02.13 | Redakteur: Kristin Rinortner

Dr. Joachim Würfl: Leitet den Geschäftsbereich Galliumnitrid-Elektronik am Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) in Berlin.
Dr. Joachim Würfl: Leitet den Geschäftsbereich Galliumnitrid-Elektronik am Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) in Berlin. (Bild: M. Schönenberger)

Nitridische Halbleiterbauelemente versprechen aufgrund ihrer elektronischen Eigenschaften lukrative Märkte. Das Rennen um ideal schaltende GaN-Bauelemente auf industrieller Basis hat begonnen.

Transistoren, die auf dem Halbleitermaterial Galliumnitrid (GaN) basieren, zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte aus. Bei gleicher Leistung können sie materialbedingt etwa zehnmal kleiner ausgelegt werden als jene auf Silizium-Basis. Die parasitären Verluste wie Kapazitäten und Bahnwiderstände skalieren ebenfalls. Dadurch werden die Galliumnitrid-Bauelemente entsprechend schneller und bieten höhere Grenzfrequenzen sowie steilere Schaltflanken.

Anfangs konzentrierte sich die Entwicklung von GaN-Transistoren auf Mikrowellentransistoren, wo sehr attraktive Leistungswerte gepaart mit hoher Effizienz und Breitbandigkeit erreicht werden. GaN-Mikrowellenprodukte sind inzwischen kommerziell erhältlich, die Zuverlässigkeit ist von vielen Herstellern nachgewiesen.

Vor etwa acht Jahren wurde weltweit mit der Entwicklung von GaN-Leistungstransistoren begonnen. Das Ziel bestand darin, einerseits die Betriebsspannung auf über 1000 V zu erhöhen und andererseits Silizium (Si) als kostengünstiges Substrat für die GaN-Epitaxie zu nutzen.

GaN-Mikrowellenbauelemente sind meist auf isolierendem Siliziumkarbid (SiC) aufgebaut und somit vergleichsweise teuer. Den prognostizierten gigantischen Markt für GaN-Leistungselektronik vor Augen, arbeiten praktisch alle namhaften Hersteller von Silizium- oder Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern daran, derartige Transistoren bis zur Marktreife zu entwickeln.

Wohin geht die Reise? Im Bereich der Mikrowellenbauelemente entwickelt sich die Technologie hin zu noch höheren Frequenzen weiter: Die ersten Ka-Band-Prozesse (~30 GHz) sind verfügbar, vereinzelt wurden bereits hervorragende Daten auch im Frequenzbereich jenseits der 100 GHz gezeigt.

Der Vorstoß in den Terahertz-Bereich hat begonnen, vor allem bei Bauelemente-Entwicklungen in den USA. Allem Optimismus zum Trotz nutzen diese Bauelemente jedoch die Eigenschaften, die das Material selbst bietet, bei weitem noch nicht aus. Die Transistoren könnten noch viel leistungsfähiger werden, gelänge es, die entstehende Verlustwärme durch eine geeignete Kombination von Chip und Gehäusetechnik genügend gut abzuführen.

GaN-Bauelemente für die Leistungselektronik werden sich nur dann durchsetzen, wenn es gelingt, diese kostengünstig und mit noch besseren Eigenschaften als die besten Silizium-basierten Leistungstransistoren zu realisieren. Das Material selbst bringt die Performanz – zumindest theoretisch.

In der Praxis sind noch einige Herausforderungen zu meistern. So lassen sich GaN-Leistungsbauelemente zwar für sehr hohe Durchbruchspannungen auslegen, aber derzeit nur auf Kosten des dynamischen Schaltverhaltens. Hier ist noch Entwicklungsarbeit in der Materialtechnologie (speziell der GaN-Epitaxie) und der Prozesstechnik zu leisten. Wenn es gelingt, geringe Einschaltverluste auch dynamisch zu realisieren, ist die Leistungselektronik mit Galliumnitrid nicht mehr aufzuhalten.

Zudem entsteht selbst bei den effizientesten Schalttransistoren Verlustwärme. Das heißt, die thermische Ankopplung der aktiven Transistorgebiete an das Substrat muss technologisch optimal sein. Hierzu gibt es verschiedene Ansätze wie zum Beispiel Kupferplates auf beiden Seiten des Chips.

Für konkurrenzfähige GaN-Leistungsbauelemente muss ein Kompromiss zwischen Adaption der Gitterfehlanpassung zum Substrat, der Wafer-Prozessierbarkeit, der vertikalen thermischen Leitfähigkeit und einem gutem dynamischem Schaltverhalten gefunden werden. Die Stellschrauben hierfür sind bekannt und Gegenstand intensiver Forschungen weltweit, denn es locken lukrative Märkte.

Sicher ist, das Rennen um die ersten ideal schaltenden GaN-Bauelemente auf industrieller Basis läuft!

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