Neuer Halbleiterwerkstoff ScAlN soll Grenzen von Silizium überwinden

| Redakteur: Kristin Rinortner

Halbleiterforschung: Ein Forscherteam am Fraunhofer IAF 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.
Halbleiterforschung: Ein Forscherteam am Fraunhofer IAF 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. (Bild: Fraunhofer IAF)

Elektronikanwendungen wachsen signifikant und fordern immer kompaktere und effizientere leistungselektronische Systeme. Die bislang dominierende Schaltungstechnik auf Basis von Silicium wird den steigenden industriellen Ansprüchen in absehbarer Zeit nicht mehr gerecht werden. ScAlN könnte die Lösung sein.

Im Projekt „Erforschung von funktionalen Halbleiterstrukturen für eine energieeffiziente Leistungselektronik“ (kurz Leistungselektronik 2020+), das im März vergangenen Jahres gestartet wurde, geht es um den noch unerforschten Halbleiterwerkstoff Scandiumaluminiumnitrid (ScAlN). Prof. Oliver Ambacher, Institutsleiter des Fraunhofer IAF und Professor für Leistungselektronik am Institut für Nachhaltige Technische Systeme (INATECH) der Universität Freiburg, koordiniert die überregionale Zusammenarbeit zwischen Universitäten, Fraunhofer-Instituten und verschiedenen Leistungszentren.

Silicium-Technologie stößt an ihre physikalischen Grenzen

Bislang basieren die meisten elektronischen Schaltungen auf dem Halbleiter Silicium. Der Werkstoff ist aufgrund der relativ geringen Herstellkosten, der fast perfekten Kristallstruktur und der Bandlücke von 1,12 eV, die eine hohe Ladungsträgerkonzentration, -beweglichkeit und -geschwindigkeit ermöglicht und somit eine gute Spannungsfestigkeit, für Anwendungen in der Halbleiterindustrie prädestiniert. Allerdings stößt die Silicium-Technik allmählich an ihre physikalischen Grenzen: Insbesondere bei der geforderten Leistungsdichte und Kompaktheit sind leistungselektronische Bauelemente auf Basis von Silicium nicht mehr ausreichend. Alternativen bieten SiC und GaN.

Neuer Halbleiterwerkstoff ScAlN für mehr Leistung und Effizienz

ScAlN ist ein piezoelektrischer Halbleiter, der weltweit für Anwendungen in der Mikroelektronik weitgehend unerforscht ist. „Dass sich Scandiumaluminiumnitrid aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften besonders für den Einsatz in leistungselektronischen Bauelementen eignet, konnte bereits nachgewiesen werden“, erklärt Dr. Michael Mikulla, Projektleiter des Fraunhofer IAF.

Im Moment geht es darum, ScAlN gitterangepasst auf einer GaN-Schicht aufwachsen zu lassen und mit den daraus hergestellten Heterostrukturen Transistoren mit hoher Stromtragfähigkeit zu prozessieren.

„Funktionale Halbleiterstrukturen basierend auf Materialien mit großer Bandlücke wie Scandiumaluminiumnitrid und Galliumnitrid ermöglichen Transistoren für sehr hohe Spannungen und Ströme. Die Bauelemente erreichen eine höhere Leistungsdichte pro Chip-Fläche sowie größere Schaltgeschwindigkeiten und höhere Betriebstemperaturen, was gleichbedeutend mit geringeren Schaltverlusten, höherer Energieeffizienz und kompakteren Systemen ist“, erläutert Ambacher. „Unser Ziel ist es, mit der Materialkombination von GaN und ScAlN die maximal mögliche Ausgangsleistung des Bauelements bei einem deutlich geringeren Energiebedarf zu verdoppeln“, ergänzt Mikulla.

Kooperation zwischen Uni und anwendungsbezogener Entwicklung

Eine der größten Herausforderungen dieses Projektes ist die Epitaxie. Das Projektteam will diese Hürde in den nächsten Monaten überwinden, um zu reproduzierbaren Resultaten zu gelangen. Die Wissenschaftler wollen Schichtstrukturen herstellen, die für leistungselektronische Anwendungen eingesetzt werden können.

Das Forschungsprojekt wird in enger Kooperation zwischen der Universität Freiburg, dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF, dem Leistungszentrum Nachhaltigkeit sowie dem in Erlangen beheimateten Fraunhofer IISB als Mitglied des Leistungszentrums Elektroniksysteme durchgeführt. Diese neue Form der Zusammenarbeit zwischen der universitären Forschung und der anwendungsbezogenen Entwicklung soll als Modell für zukünftige Projektkooperationen dienen. // KR

Tschüss Silizium: Neue Materalien für die Elektronik

Tschüss Silizium: Neue Materalien für die Elektronik

25.10.18 - Ein Team von Wissenschaften aus Deutschland, Bulgarien und Spanien hat ein neues, metall-organisches Material entwickelt, das ähnliche Eigenschaften wie kristallines Silizium aufweist. Das mit einfachen Mitteln bei Raumtemperatur herstellbare Material könnte in Zukunft als Ersatz für konventionelle nicht-organische Materialien dienen, die in der Optoelektronik genutzt werden. lesen

Neuartige Interconnects: SuperVias revolutionieren Chipdesign

Neuartige Interconnects: SuperVias revolutionieren Chipdesign

17.12.18 - 40% geringerer Widerstand, 30% Flächenersparnis: Mit einem „Proof of Concept“ seiner SuperVia-Interconnect-Technologie legt das belgische imec-Institut eine wichtige Grundlage für das Design zukünftiger CMOS-Chips mit Strukturbreiten von 3 Nanometer – und weniger. lesen

Die Messung des Unsichtbaren

Die Messung des Unsichtbaren

22.11.18 - Dr. Alexander Tobisch vom Fraunhofer IISB erhält den Wissenschaftspreis der Stiftung Industrieforschung für die Entwicklung eines optischen Messverfahrens. Dieses erkennt kleinste Unebenheiten auf Halbleiter-Wafern und kann so helfen, die Ausbeute bei der Herstellung von Mikrochips zu erhöhen. lesen

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 45699020 / Technologie & Forschung)