Im Mai 2002 schrieben Lester F. Eastman und Umesh K. Mishra über eine damals auf dem Gebiet der Leistungshalbleiter befindliche Langzeitentwicklungstechnologie:Galliumnitrid (GaN).  
In diesem Artikel äußerten sie Optimismus hinsichtlich der Perspektiven von Galliumnitrid in den damals noch jungen drahtlosen Breitbandnetzen, Radarsystemen und Leistungsschaltanwendungen für Stromnetze. Sie bezeichnen GaN-Bauelemente auch als„Der robusteste Transistor, der je entwickelt wurde.“  
Sie haben Recht. Die große Bandlücke von GaN (die Energie, die benötigt wird, um gebundene Elektronen aufzubrechen und die Leitfähigkeit zu ermöglichen) und andere Eigenschaften erlauben es uns, die hohe elektrische Feldtoleranz dieses Materials auszunutzen und so Bauelemente mit beispielloser Leistungsfähigkeit zu realisieren.  
Heute ist Galliumnitrid (GaN) der unangefochtene Spitzenreiter bei Festkörper-Hochfrequenz-Leistungsanwendungen und findet bereits Anwendung in Radarsystemen und 5G-Mobilfunknetzen. Schon bald wird es auch in Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge Standard sein. Mittlerweile sind sogar USB-Ladegeräte auf GaN-Basis erhältlich, die trotz ihrer kompakten Bauweise bemerkenswert hohe Leistungspegel bieten.  
Doch selbst wenn dies der Fall ist, fragen wir uns: Gibt es etwas Besseres als GaN? Lässt sich ein HF-Verstärker noch leistungsstärker und effizienter gestalten? Kann die Leistungselektronik weiter verkleinert werden, um Flugzeuge und Autos noch leichter zu transportieren? Können wir Materialien mit größeren Bandlücken finden, die dennoch elektrisch leitfähig sind?  
Wie sich herausstellt, lautet die Antwort ja.  
Tatsächlich gibt es auf dem Markt Materialien mit vielen Bandlücken, doch aufgrund der Besonderheiten der Quantenmechanik eignen sich die meisten von ihnen kaum als Halbleiter. Ein vielversprechender Kandidat ist jedoch das transparente leitfähige Oxid Galliumoxid (Ga₂O₃).  
Mit seiner großen Bandlücke von fast 5 eV übertrifft Galliumoxid GaN (3.4 eV) um Längen, und im Vergleich zu Silizium (1.1 eV) ist der Vorsprung so groß wie ein Marathonlauf. Diamant und Aluminiumnitrid besitzen zwar ebenfalls große Bandlücken, aber nicht die Eigenschaften von Ga₂O₃ – eine glückliche Kombination, die die Herstellung kostengünstiger und gleichzeitig leistungsstarker Bauelemente ermöglicht.  
Es genügt nicht, dass ein Material eine große Bandlücke aufweist, denn in diesem Fall träfe dies auf alle Dielektrika und Keramiken zu, weshalb diese nur als Isolatoren eingesetzt werden können. Galliumoxid hingegen besitzt eine einzigartige Kombination von Eigenschaften, die es zu einem vielversprechenden Materialkandidaten für Leistungsschalter und Hochfrequenzelektronik machen.  
   

Abbildung: IEEE Spectrum Quelle: „Implementierung von Ga2O3 für Leistungselektronikanwendungen“, präsentiert von Gregg H. Jessen et al. auf der 75. jährlichen Device Research Conference (DRC).

Von den fünf für Halbleiter entscheidenden Eigenschaften ist die hohe kritische elektrische Feldstärke der größte Vorteil von Beta-Galliumoxid. Dies könnte die Entwicklung von Hochspannungsschaltern ermöglichen und die Konstruktion leistungsstarker HF-Bauelemente erlauben. Der größte Nachteil von Beta-Galliumoxid ist jedoch seine geringe Wärmeleitfähigkeit, wodurch sich Wärme im Bauelement stauen kann.  
Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft von Galliumoxid ist seine Anreicherbarkeit. Durch Dotierung, ein Verfahren namens Dotierung, kann es mit Ladungsträgern angereichert werden, um seine Leitfähigkeit zu erhöhen. Bei der Dotierung werden dem Kristall gezielt Verunreinigungen zugeführt, um die Ladungsträgerkonzentration im Halbleiter zu steuern. In Silizium beispielsweise kann man durch Ionenimplantation mit anschließendem Tempern den Kristall mit Phosphor (Zufuhr freier Elektronen) oder Bor (Entzug von Elektronen) dotieren und so die freie Beweglichkeit der Ladungen im Kristallgitter ermöglichen. Bei Ga₂O₃ erfolgt die Zufuhr von Elektronen auf ähnliche Weise.  
Wendet man diese Methode jedoch auf andere Oxide mit großer Bandlücke an, so führt dies möglicherweise zu zerbrochenen Kristallen und Stellen im Kristallgitter, an denen sich Ladungen festsetzen.  
Die Anpassungsfähigkeit von Galliumoxid an die Dotierung mittels Standardverfahren (Ionenimplantation) sowie während des epitaxialen Wachstums (Abscheidung zusätzlicher Kristalle) ermöglicht die Nutzung etablierter kommerzieller Lithographie- und Verarbeitungstechnologien. Diese Methoden erlauben die präzise Definition von Transistorabmessungen im Bereich von zehn Nanometern und die Erzeugung vielfältiger Bauelementtopologien. Andere Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke weisen diese äußerst nützliche Eigenschaft jedoch nicht auf. Nicht einmal GaN kann dies.  
Ein weiterer Vorteil von Galliumoxid ist, dass sich große Siliziumwafer aus kristallinem Ga₂O₃ vergleichsweise einfach herstellen lassen. Obwohl es verschiedene Ga₂O₃-Kristalle gibt, ist β-Ga₂O₃ die stabilste, gefolgt von ε- und α-Ga₂O₃. β-Ga₂O₃ ist das am intensivsten erforschte Material, vor allem dank der Arbeit von Institutionen wie dem National Institute of Materials Science in Tsukuba, Japan, und dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung in Berlin.  
Der größte Vorteil von β-Ga₂O₃ liegt in seiner thermischen Stabilität, die seine Herstellung mit einer Reihe weit verbreiteter Verfahren ermöglicht, darunter das Czochralski-Verfahren zur Herstellung von Siliziumwafern. Auch das sogenannte Edge-Defined Film-Fed-Verfahren (EDF) kann zur Kristallzüchtung eingesetzt werden. Heutzutage lassen sich Kristalle sogar mit dem hochskalierbaren vertikalen Bridgman-Stockbarger-Verfahren züchten.  
Es ist kaum zu überschätzen, wie sehr sich diese Situation von anderen Halbleitern mit großer Bandlücke unterscheidet. Aus heutiger Sicht verfügen die meisten neuartigen Halbleiter mit großer Bandlücke – mit Ausnahme von Siliziumkarbid (SiC) – jedoch nicht über großflächige Substrate, auf denen große Kristalle gezüchtet werden können. Das bedeutet, dass sie auf einer Scheibe aus einem anderen Material wachsen müssen, was mit Kosten verbunden ist. Galliumnitrid beispielsweise wird typischerweise in einem komplexen Prozess auf Silizium-, Siliziumkarbid- oder Saphirsubstraten gezüchtet. Die Kristallstruktur dieser Substrate unterscheidet sich jedoch deutlich von der von GaN, und diese Differenz kann zu einer Gitterfehlanpassung zwischen Substrat und GaN führen, was wiederum zahlreiche Defekte zur Folge hat. Diese Defekte verursachten viele Probleme bei der Herstellung der Anlagen. Da Ga₂O₃ als eigenes Substrat dient, treten keine Fehlanpassungen und somit auch keine Defekte auf. Das japanische Unternehmen Novel Crystal Technology hat 150 mm großes β-Ga₂O₃ demonstriert.  
am Japanischen Institut für Informations- und Kommunikationstechnologie (NICT)Masataka HigashiwakiEr erkannte als Erster das Potenzial von β-Ga₂O₃ für Leistungsschaltanwendungen. 2012 revolutionierte er die gesamte Leistungselektronikbranche, nachdem seine Forschungsgruppe den ersten einkristallinen β-Ga₂O₃-Transistor vorgestellt hatte. Wie leistungsfähig ist dieses Produkt? Eine der wichtigsten Spezifikationen eines Leistungstransistors ist beispielsweise die Durchbruchspannung, der kritische Punkt, an dem die Fähigkeit des Halbleiters, den Stromfluss zu unterbrechen, zusammenbricht. Die Durchbruchspannung des von Higashiwaki entwickelten Pioniertransistors liegt bei über 250 V. Zum Vergleich: GaN benötigte fast zwei Jahrzehnte, um diesen Wert zu erreichen.  
In ihrer bahnbrechenden Arbeit beschrieben Higashiwaki, dass sie die Leistungsverluste des Bauelements durch die Verwendung eines Materials mit hoher kritischer elektrischer Feldstärke deutlich reduzierten. Diese Eigenschaft, bekannt als Ec, ist die eigentliche Stärke von Galliumoxid.  
Vereinfacht gesagt: Schließt man ein Material zwischen zwei Leiter ein und erhöht die Spannung, so ist E_c die elektrische Feldstärke, bei der das Material zu leiten beginnt. Diese Spannung kann mitunter katastrophale Folgen haben. Die kritische Feldstärke von Silizium liegt typischerweise im Bereich von Hunderten Kilovolt pro Zentimeter, während die kritische Feldstärke von Galliumoxid (Ga₂O₃) 8 Megavolt pro Zentimeter beträgt.  
 

Abbildung: Forschungslabor der US-Luftwaffe

Hochspannungsheld: Dieser oben abgebildete Galliumoxid-Transistor (dargestellt in zwei Vergrößerungen (a und b) und im Querschnitt (c)) hält Spannungen von über 200 Volt innerhalb von nur 600 Nanometern aufrecht.

Bei idealen Leistungstransistoren ist ein sehr hoher Leitungswiderstand (E_g) einer der größten Vorteile. Im Idealfall schaltet das Bauelement verzögerungsfrei zwischen zwei Zuständen: dauerhaft leitend (Leitung ohne Widerstand) und dauerhaft ausgeschaltet (keine Leitung). Diese beiden Extreme erfordern zwei sehr unterschiedliche Bauelementgeometrien. Für den ausgeschalteten Zustand ist eine dickere Materialschicht zwischen Source und Drain des Transistors notwendig, um die Leitung zu verhindern und hohe Spannungen abzuschirmen. Für den eingeschalteten Zustand hingegen benötigt man eine extrem dünne Schicht, um einen widerstandsfreien Übergang zu gewährleisten.  
Natürlich geht nicht beides. Die kritische elektrische Feldstärke des Materials bestimmt, wie dünn der Bereich sein muss, um noch geschlossen zu sein.  
Der wichtigste Indikator für Niederfrequenz-Leistungshalbleiter ist die sogenannte Baliga-Kennzahl, benannt nach dem IEEE-Medaillen-Träger B. Jayant Baliga. Sie gibt an, wie gut das Ausgangssignal des Bauelements die Details des Eingangssignals bei hohen Spannungen wiedergibt. Dies ist eine sehr wichtige Eigenschaft für Transistoren, die als Schalter im Kilohertzbereich arbeiten. Solche Bauelemente finden sich in Multikilovolt-Umspannwerken, Hochenergie-Photonengeneratoren für die medizinische Bildgebung sowie in Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge und industrielle Motorantriebe.  
Für all diese und weitere Anwendungen bietet Ga₂O₃ natürliche Vorteile. Bei diesen Frequenzen ist der Gütefaktor proportional zur dritten Potenz der kritischen Feldstärke. Ein so hoher Wert für E_c bedeutet eine gute Gütezahl.  
Hinter der mathematischen Erklärung verbirgt sich die Tatsache, dass dieser Schalter die meiste Zeit entweder vollständig ein- oder ausgeschaltet ist und nur sehr selten zwischen den beiden Zuständen wechselt. Daher besteht der größte Teil des Leistungsverlusts lediglich aus dem Stromfluss vom Widerstand zum Gerät beim Einschalten. Bei hohem E_c können dünnere Bauteile verwendet werden, was einen geringeren Widerstand bedeutet.  
Die Kernaussage von Higashiwakis Arbeit ist einfach: Mit starken elektrischen Feldstärken lassen sich Hochspannungsschaltungen mit geringen Leistungsverlusten bei niedrigen Frequenzen realisieren. Andere Forschungsgruppen erkannten dies schnell. Bereits 2013 demonstrierten Forscher einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) mit einer Durchbruchspannung von 370 V. 2016 nutzte Man Hoi Wong, damals Mitglied von Higashiwakis Arbeitsgruppe am NICT, eine zusätzliche Struktur namens Feldplattierung, um die Spannung auf über 750 V zu steigern. Die relative Leichtigkeit, mit der Ga₂O₃ höhere Betriebsspannungen erreicht, ist bemerkenswert. Die Materialforschung hat in nur wenigen Jahren enorme Fortschritte gemacht, während die Entwicklung von GaN-Blattmaterial Jahrzehnte dauerte.  
Wäre Ga₂O₃ für Anwendungen mit schnell schaltenden Netzteilen geeignet? Dies ist ein weiterer Punkt, dem große Aufmerksamkeit geschenkt wird. Es muss betont werden, dass die kritische Kapazität (E_c) hier ebenfalls von großer Bedeutung ist und Ga₂O₃ erhebliche Vorteile bringen kann.  
Bei höheren Frequenzen (z. B. 100 Hz bis 1 MHz) verlängert sich die Ein- und Ausschaltzeit eines Bauelements proportional. Die Schaltverluste ergeben sich aus dem Produkt des Bauelementwiderstands und der Ladungsmenge, die sich am Gate des Transistors zum Schalten ansammeln muss. Mathematisch ausgedrückt bedeutet dies, dass die Verluste proportional zum Quadrat der kritischen elektrischen Feldstärke sind, nicht zur dritten Potenz bei niedrigen Frequenzen.  
    Abbildung: Forschungslabor der US-Luftwaffe  
Das obige Bild zeigt Galliumoxid.Potenzial für HF-AnwendungenEin kleiner (intrinsischer) Anteil dieses frühen Galliumoxid-HF-Transistors war für seine Funktion wichtig. Durch die Reduzierung des parasitären Widerstands im Bauelement lassen sich Leistung und Frequenz erhöhen.  
Sie werden feststellen, dass selbst bei so einfachen Anwendungen wie Handy-Ladegeräten schnelleres Schalten der Leistung deutliche Vorteile bringt. Ein Schaltnetzteil gleichrichtet zunächst die Wechselspannung aus der Steckdose und wandelt sie dann in ein Hochfrequenzsignal um. Der Transformator reduziert die Spannung auf das benötigte Niveau, und schließlich wird das Signal erneut gleichgerichtet und gefiltert. Die größten Bauteile des Systems sind die Transformatoren und andere passive Komponenten. Kleinere Bauteile können erst mit steigender Frequenz verwendet werden. Für höhere Frequenzen ermöglicht ein Halbleiter mit größerer Bandlücke und höherer kritischer Feldstärke eine effizientere Erzeugung und vereinfacht gleichzeitig die Wärmeableitung.  
Ein Silizium-Wechselrichter mit 1200 V und einer Schaltfrequenz von 20 kHz liefert beispielsweise etwa 3 kW Leistung. Ein Siliziumkarbid-Wechselrichter mit derselben Leistung kann jedoch bei einer Schaltfrequenz von 150 kHz in einem nur ein Drittel so großen Gehäuse bei höherer Temperatur betrieben werden. Zum Vergleich: Wechselrichter auf Ga₂O₃-Basis arbeiten mit Frequenzen im Megahertzbereich und sind halb so klein (allerdings wären hierfür magnetische Bauteile erforderlich, die es aktuell noch nicht gibt).  
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die wahren elektronischen Eigenschaften von Materialien wie Ga₂O₃ erst durch die vollständige Ausnutzung ihrer kritischen elektrischen Feldstärke zum Tragen kommen. Doch wie hoch ist dieser Wert genau? Bis 2015 hatte keine Forschungsgruppe die von diesem Material erreichbaren Feldstärken gemessen. Wie bei anderen Bauelementen liegen die vorläufigen Ergebnisse weit unter den theoretischen Grenzen.  
Meine Kollegen und ich stehen vor dieser Herausforderung bei unserer Arbeit im Forschungslabor der US-Luftwaffe auf der Wright-Patterson Air Force Base in Ohio. Das erste Problem, auf das wir stießen, war, dass jedes Bauelement, das aus Materialien mit solch hohen Feldstärken hergestellt wird, die Grenzen der vorhandenen Testgeräte überschreiten könnte. Denn prinzipiell können 2 Mikrometer dicke Materialien mehr als 1.5 kV blockieren! Daher haben wir einen einfachen MOSFET entwickelt, dessen Geometrie verkleinert wurde, um die Spannung zu reduzieren. Der Abstand zwischen Gate und Drain, wo das elektrische Feld am stärksten ist, beträgt nur 600 Nanometer. Dies dient zum einen der einfacheren Messung der maximalen Feldstärke E_c, zum anderen aber auch der Möglichkeit, das Bauelement bei Hochfrequenzen zu testen, was mit größeren Hochspannungsdesigns nicht möglich ist.  
In dieser frühen Demonstration hielten die Transistoren einer Spannung von 230 V stand, der Grenze von HF-Testgeräten. Das erzeugte mittlere elektrische Feld beträgt mindestens 3.8 MV/cm, und Simulationen zeigen, dass das maximale interne elektrische Feld mindestens 5.3 MV/cm beträgt. (Die vollen 8 MV/cm werden wir in einem FET nie erreichen.) Dies ist der erste experimentelle Nachweis, dass Ga₂O₃ einen höheren theoretischen EC-Wert als GaN (ca. 3.3 MV/cm) aufweist. Anders ausgedrückt: Der Gate-Drain-Abstand eines GaN-Leistungstransistors mit einer Nennbetriebsspannung von 600 V beträgt üblicherweise etwa 15 bis 20 µm, und unsere Wellenlänge beträgt 600 nm.  
Nach dieser Erkenntnis entwickelten sich Leistungstransistoren rasant. 2017 fertigten wir MOSFETs mit Durchbruchspannungen von über 600 V. Anfang 2018 erreichten oder übertrafen die mit MOSFETs unterschiedlicher Geometrie erzielten Hochfrequenzverlustwerte die theoretischen Grenzen von Silizium. Darüber hinaus sehen wir nun einen klaren Weg vor uns, die neuesten GaN-Werte in den nächsten Jahren zu erreichen oder sogar zu übertreffen.  
    Foto: Novel Crystal Technology  
Im Gegensatz zu vielen Halbleitern mit großer Bandlücke lassen sich Galliumoxid-Wafer mit einem ähnlichen Verfahren wie Silizium-Wafer herstellen. Dies bedeutet, dass fehlerfreie Bauelemente relativ kostengünstig gefertigt werden könnten.  
Als wir 2015 die elektrische Feldstärke (E) von Leistungsschaltern maßen, vermuteten wir auch, dass Ga₂O₃ in HF-Schaltungen ähnliche Erfolge erzielen könnte, indem es wiederum höhere elektrische Feldstärken in kleineren Bauelementen ermöglicht. Damals fehlten jedoch noch wichtige Informationen – es gab keine veröffentlichten Daten zur Elektronengeschwindigkeit in dem Material in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke.  
Die Elektronengeschwindigkeit ist besonders wichtig bei Transistoren, die zur Verstärkung von Hochfrequenzsignalen eingesetzt werden. Im Hochfrequenzbereich sind hohe Ausgangsleistung und hohe Frequenz die angestrebten Ziele. Die Johnson-Gütezahl (JFOM) fasst diese Ziele zusammen. Laut JFOM ist das Produkt aus Leistung und Frequenz eines Hochfrequenztransistors proportional zum Produkt aus der maximalen Geschwindigkeit der Ladungsträger im Halbleitermaterial und der Elektronenkapazität Ec. Entscheidend ist hierbei, dass in einem Hochfrequenztransistor nur dann eine Verstärkung erzielt wird, wenn die Ladungsträger den gesamten Weg von der Source zur Drain zurücklegen können, bevor die Polarität des Hochfrequenzsignals umkehrt. (Die höchste Frequenz, bei der dies der Fall ist, wird als Grenzfrequenz f_T bezeichnet.)
Hier kommt das hohe kritische elektrische Feld von Ga2O3 zum Tragen, denn man kann diese kritische Distanz verringern und dennoch ein starkes elektrisches Feld erzeugen, um Elektronen auf ihre maximale Geschwindigkeit zu beschleunigen.  
Am AFRL gelang es uns 2017, den ersten Galliumoxid-HF-MOSFET im Submikronbereich zu demonstrieren. Diese Bauelemente erzielten beeindruckende Werte, obwohl sie nicht zur Spitzenklasse der GaN-Bauelemente gehören. Ihre Stromverstärkungsfrequenz beträgt 3 GHz, ihre maximale Oszillationsfrequenz 13 GHz und ihre Ausgangsleistungsdichte 230 mW/mm² bei 800 MHz. Seitdem hat das AFRL eine gepulste HF-Ausgangsleistungsdichte von über 500 mW/mm² bei 1 GHz erreicht, mit einer maximalen Oszillationsfrequenz von fast 20 GHz.  
Noch ermutigender ist, dass etwa zur gleichen Zeit theoretische Berechnungen von Krishnandu Ghosh und Uttam Singisetti (Universität Buffalo) zeigten, dass die JFOMs von Galliumoxid deutlich besser sind als die von Galliumnitrid.  
Seit der ersten Demonstration der HF-Fähigkeiten im Jahr 2017 hat die RF-Ga₂O₃-Technologie enorme Fortschritte gemacht. Zunächst durch Sriram Krishnamoorthy und anschließend durch das Team von Siddharth Rajan an der Ohio State University, das neue und verbesserte Dotierungstechniken demonstrierte. Diese Technologien sind von Silizium übernommen, wodurch der resultierende Widerstand in der leitfähigen Materialschicht sehr gering ist, etwa 300 Ohm pro Quadrat. (Ja, das ist die korrekte Einheit.) Dies ist vergleichbar mit dem Widerstand von Galliumnitrid-Bauelementen. Kurz nach diesem Ergebnis demonstrierten Rajan und Forscher der University of California, Santa Barbara, unabhängig voneinander Ga₂O₃ als HEMT (High Electron Mobility Transistor).
Diese Bauelemente bestehen üblicherweise aus Galliumarsenid oder Galliumnitrid, und Hochfrequenzen sind sowohl für Mobiltelefone als auch für Satellitenfernsehempfänger unerlässlich. Die Leitfähigkeit solcher Bauelemente beruht auf einem zweidimensionalen Elektronengas, das sich an der scharfen Grenzfläche zwischen zwei Halbleitern mit unterschiedlichen Bandlücken bildet. In diesem Fall handelt es sich um Aluminiumgalliumoxid und Galliumoxid, was der kommerziellen Aluminiumgalliumarsenid/Galliumarsenid-HEMT-Technologie in Smartphones exakt entspricht. Diese wichtigen Fortschritte ebnen den Weg für die vertikale und horizontale Erweiterung von Hochfrequenzgeräten.  
Obwohl diese Fortschritte vielversprechend sind, wird Ga₂O₃ Galliumarsenid (GaAs) oder GaN in HF-Anwendungen voraussichtlich nicht ernsthaft Konkurrenz machen. Als grundsätzlich guter Schalter dürfte es jedoch Vorteile in Schaltverstärkern der Klassen D, E und F bieten. In diesen Bauelementen zeichnet es sich durch einen sehr niedrigen Einschaltwiderstand und einen sehr hohen Wirkungsgrad bei niedrigen Strömen und hohen Durchbruchspannungen aus. Anwendungen, die niedrigere Impedanzen und hohe Ströme erfordern, werden hingegen GaN bevorzugen, vor allem aufgrund seiner höheren Ladungsträgermobilität und -dichte.  
         

SoGa2O3Welchen Herausforderungen wird es begegnen?

Zunächst einmal ist die Achillesferse dieses Materials seine schlechte, ja sogar besonders schlechte Wärmeleitfähigkeit. Tatsächlich weist es von allen Halbleitern, die für HF-Verstärkung oder Leistungsschaltung in Betracht gezogen werden, die schlechteste Wärmeleitfähigkeit auf. Die Wärmeleitfähigkeit von Galliumoxid beträgt nur ein Sechstel der von Diamant, ein Zehntel der von SiC (dem Substrat für Hochleistungs-HF-GaN) und ein Fünftel der von Silizium. Interessanterweise ist sie vergleichbar mit der von HF-GaAs. Die geringe Wärmeleitfähigkeit bedeutet, dass die im Transistor erzeugte Wärme dort verbleibt und die Lebensdauer des Bauelements erheblich verkürzen kann.  
Nun bedenken Sie Folgendes: Um die Wärmeleitfähigkeit eines Materials in einem Gerät korrekt zu vergleichen, muss sie auf die Belastbarkeit des Materials normiert werden. Anders ausgedrückt: Man muss E durch C teilen, um thermische Probleme in realen Geräten präzise zu vergleichen. Dabei zeigt sich, dass jeder Halbleiter mit einer größeren Bandlücke als Silizium – selbst Diamant – bei voller Auslastung Probleme mit der Wärmeableitung aufweist. Obwohl diese Tatsache Ga₂O₃ noch nicht wesentlich weiterhilft, motiviert sie uns, nach besseren Methoden zur Wärmeableitung zu suchen.  
Forscher des NICT-Labors in Tokio konnten beispielsweise den Wärmewiderstand des Bauelements deutlich verbessern, indem sie p-dotiertes polykristallines SiC auf die Rückseite eines nur etwa 10 Mikrometer dünnen Ga₂O₃-Siliziumwafers aufbrachten. Da bei bestimmten Bauelementtopologien nahezu die gesamte Wärme in den obersten 1 µm des Materials entsteht, erzielten AFRL-Forscher vielversprechende Ergebnisse durch die Simulation des Elektrodenkontakts und den Einsatz dielektrischer Füllstoffe zur Wärmeableitung an einen Kühlkörper. Dieses Verfahren wird heute in kommerziellen Galliumarsenid-Heterojunction-Bipolartransistoren angewendet. Trotz der thermischen Herausforderungen bei Ga₂O₃ arbeiten also kluge Ingenieure an Lösungen.  
Ein weiteres, grundlegenderes Problem besteht darin, dass Galliumoxid nur Elektronen, nicht aber Löcher leiten kann. Es gelingt nicht, aus Ga₂O₃ einen guten p-Leiter herzustellen. Und die grundlegenden elektronischen Eigenschaften des Materials lassen leider wenig Hoffnung auf Besserung. Insbesondere ist die Form der Lochleitung im Valenzbandbereich der Bandstruktur nicht korrekt. Selbst wenn also ein Dotierstoff vorhanden ist, der den Rezeptor auf das korrekte Energieniveau bringt, werden die erzeugten Löcher voraussichtlich eingefangen, bevor sie zur Leitfähigkeit beitragen können. Angesichts dieser Diskrepanz zwischen Theorie und Daten ist es schwer vorstellbar, dass sich diese Einschränkung beheben lässt.  
Diese Sicherheitslücke bringt zwar zusätzliche Herausforderungen mit sich, doch es läuft nicht alles reibungslos. Viele sogenannte Geräte, die nur mit den meisten Mobilfunkanbietern kompatibel sind, haben sich kommerziell bewährt. Man denke nur an die vielen USB-C-Netzteile, die man kaufen kann.  
Die Forschungsphase der Ga₂O₃-Bauelementtechnologie hat gerade erst begonnen, eine kritische Masse zu erreichen, und wir planen nun die Anwendungsmöglichkeiten für schnell schaltende Multi-Kilovolt-Leistungstransistoren und HF-Bauelemente. Neue Demonstrationen von Geräten im Kilovoltbereich werden regelmäßig vorgestellt. HF-Transistoren mit kritischen Abmessungen im Bereich von einigen zehn Nanometern stehen kurz vor der Markteinführung. Mit der Weiterentwicklung dieser Technologie werden wir unserer Ansicht nach Bauelementtopologien realisieren können, die mit keinem anderen Material bisher möglich waren.  
 

Natürlich werden wir dabei einige Dinge (hauptsächlich Dielektrika) kaputtmachen. Aber das ist ja gerade die Definition von disruptiver Technologie. Wir tauschen unser Wissen gegen potenzielle Leistung ein. Aktuell überwiegt bei Ga₂O₃ das Leistungspotenzial die Probleme deutlich.

Haftungsausschluss: Dieser Artikel wurde aus „Semiconductor Industry Observation“ übernommen, einer Fachzeitschrift, die sich für den Schutz geistigen Eigentums einsetzt. Bitte geben Sie die Originalquelle und den Autor des Nachdrucks an. Sollten Urheberrechte verletzt worden sein, bitten wir Sie, uns zu kontaktieren, damit wir den entsprechenden Artikel entfernen können.

Firmentelefonnummer: +86-0755-83044319
Fax: +86-0755-83975897
E-Mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Manager Li

QQ: 332496225 Manager Qiu

Adresse: Raum 809, Gebäude C, Zhantao Technology Building, Minzhi Avenue 1079, Longhua New District, Shenzhen