Neue Gallium- und Germanium-Materialien für Leistungshalbleiter reifen heran

Die japanische Firma Novel Crystal Technology (NCT) produziert Wafer aus Gallium(III)-oxid und fertigt daraus Prototypen von Schottky-Dioden für hohe Spannungen und starke Ströme. Das auch als Ga₂O₃ bezeichnete Material verspricht mehrere Vorteile für Leistungshalbleiter, weil es einen besonders großen Bandabstand von 4,8 Elektronenvolt (eV) hat und hohe Spannungen verträgt. Außerdem lassen sich β-Ga₂O₃-Wafer mit weniger Aufwand und dadurch billiger produzieren als solche aus Siliziumkarbid (SiC).

Ein anderes neuartiges Material für ähnliche Anwendungsbereiche ist Germanium(IV)-oxid, vor allem in der rutil-ähnlichen Form r-GeO₂. Daran arbeitet unter anderem die ebenfalls japanische Firma Patentix. Der Bandabstand von r-GeO₂-Wafern liegt mit etwa 4,6 eV etwas niedriger als der von β-Ga₂O₃, aber weit über dem von Galliumnitrid (GaN: 3,4 eV) und SiC (bis 3,3 eV). Manche Publikationen nennen die neuen Materialien daher Ultra-Wide-Bandgap-Halbleiter.

Noch in der Forschungsphase

Bisher sind noch keine serienmäßigen Leistungstransistoren oder Dioden aus Ga₂O₃ oder GeO₂ auf dem Markt. Das dürfte noch mehrere Jahre dauern, wenn man auf die SiC-Entwicklung schaut: Die Firma Cree, aus der später Wolfspeed hervorging, brachte 2011 die ersten SiC-MOSFETs aus der Serienfertigung auf den Markt. Aber noch heute gelten SiC-Leistungsschalter als innovativ.

NCT kann bisher β-Ga₂O₃-Wafer mit 2 oder 4 Zoll Durchmesser fertigen, also 50 oder 100 Millimeter. Ab 2027 sollen 6-Zoll-Wafer kommen (150 mm). Patentix entwickelt r-GeO₂-Wafer mit ebenfalls 6 Zoll.

SiC-Wafer gibt es hingegen schon mit bis zu 8 Zoll (200 mm) und Infineon kann als erster Hersteller GaN-Wafer mit 12 Zoll (300 mm) fertigen. Je größer die Scheiben, desto mehr Bauelemente lassen sich daraus herstellen, wodurch wiederum die Kosten pro Bauelement sinken.

(ciw)