Jenseits des Mooreschen Gesetzes erreicht die Halbleitermaterialtechnologie der dritten Generation ihren Höhepunkt.  
     
Seit Beginn des 21. Jahrhunderts haben neue Anwendungen wie künstliche Intelligenz, 5G und autonomes Fahren die Anforderungen an die Chip-Leistung deutlich erhöht. Gleichzeitig wurden kontinuierliche Innovationen in der Halbleiterfertigung und bei neuen Materialien vorangetrieben. Als dritte Generation von Halbleitermaterialtechnologien, die das Mooresche Gesetz möglicherweise übertreffen, erleben sie derzeit ihren Höhepunkt.

Halbleitermaterialien der dritten Generation, auch bekannt als Halbleiter mit großer Bandlücke (Wide Bandgap Semiconductors), zeichnen sich durch eine große Bandlücke (Eg ≥ ​​2.3 eV) aus. Zu den wichtigsten Vertretern dieser Technologie zählen die weit verbreiteten Materialien Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) sowie die weniger verbreiteten Materialien Zinkoxid (ZnO), Diamant und Aluminiumnitrid (AlN). Im Vergleich zu Halbleitermaterialien der ersten und zweiten Generation bieten sie neben einer größeren Bandlücke auch eine hervorragende Durchbruchfeldstärke, Wärmeleitfähigkeit, Elektronensättigungsrate und Strahlungsbeständigkeit. Sie eignen sich daher besonders für die Herstellung von Hochtemperatur-, Hochfrequenz-, strahlungsbeständigen und Hochleistungsbauelementen und können den dringenden Bedarf an energieeffizienteren Energiewandlungssystemen decken. Laut dem „2020 SiC and GaN Power Semiconductor Report“ von Omdia wird der weltweite Umsatz mit SiC- und GaN-Leistungshalbleitern bis Ende 2020 voraussichtlich 854 Millionen US-Dollar erreichen. Er wird in den nächsten zehn Jahren zweistellige jährliche Wachstumsraten erzielen und bis 2029 5 Milliarden US-Dollar übersteigen.

Viele neue Anwendungen wie Elektrofahrzeuge, 5G und Big Data haben Halbleitermaterialien neue Entwicklungschancen eröffnet. In Anwendungen wie energieintensiven Rechenzentren, verschiedenen Ladegeräten und Traktionsmotorwechselrichtern für Elektrofahrzeuge, die Verbrennungsmotoren bald ersetzen werden, tragen Verbesserungen der Energieeffizienz dazu bei, die Kohlendioxidemissionen aus der Nutzung traditioneller Energieträger wie Öl und Kohle zu reduzieren. Neue Materialien fördern zudem den großflächigen Einsatz erneuerbarer Energien. So können beispielsweise Leistungshalbleiter mit großem Bandabstand die Effizienz der Solar- und Windenergieerzeugung steigern.

 

Andererseits gewinnt mit dem Einsatz und der Anwendung des Internets der Dinge (IoT) auf Basis von 5G das Internet der Dinge (IoT) massiv an Bedeutung. Milliarden von Nutzern, Maschinen und Geräten können große Datenmengen, hochauflösende Bilder und HD-Videostreams in Echtzeit austauschen. Fernchirurgie, autonomes Fahren, Drohnenlieferungen und viele weitere anspruchsvolle Anwendungen werden so von der Theorie zur Realität. Neben den Vorteilen künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen sind diese Entwicklungen auch untrennbar mit neuen Materialien verbunden, die eine höhere Rechenleistung, größere Bandbreite und geringere Latenzzeiten bieten.

Als Innovationsführer setzt ST aktiv Anwendungen der Halbleitertechnologie der dritten Generation ein.  
     
Anfang der 1990er-Jahre begann ST mit der Entwicklung und Markteinführung von SiC-MOSFET-Transistoren und -Dioden auf Basis von 2-Zoll-Wafern. Nach jahrelangen Investitionen sicherte sich ST wichtige Patente für die zugehörigen Kernfertigungsprozesse. Ob Epitaxieschichten, Kantendesign oder Gate-Oxidschichten – die Expertise von ST in der Hochspannungs-Transistor- und Diodenfertigung trug maßgeblich dazu bei, dass ST eine führende Rolle in der erfolgreichen SiC-Entwicklung einnehmen konnte.ST hat diese Dynamik genutzt, um sich zu einem wichtigen SiC-Lieferanten in der aufstrebenden Elektrofahrzeugindustrie (EV) zu entwickeln.Die SiC-Produkte von ST werden hauptsächlich in On-Board-Ladegeräten für Elektrofahrzeuge, Hauptwechselrichtern, DC/DC-Wandlern, Industrieantrieben, Photovoltaikanlagen und weiteren Anwendungen eingesetzt. Gleichzeitig entwickelt ST weiterhin GaN-Bauelemente für Anwendungen wie 5G-Basisstationen und Mobilfunktürme, Leistungsschalter, Unterhaltungselektronik sowie industrielle Ladegeräte und Netzteile. Aktuell werden GaN-auf-Silizium-HF-Produkte entwickelt, mit denen ST sein Produktportfolio optimieren kann.  
Im Bereich der SiC-MOSFETs baut ST eine stabile Lieferkette auf: Die erfolgreiche Übernahme des schwedischen Unternehmens Norstel AB schloss eine vollständige vertikale Integration der Lieferkette ab, langfristige Wafer-Lieferverträge wurden mit Cree und SiCrystal unterzeichnet, und die eigene Produktionskapazität wurde kontinuierlich ausgebaut.ST baut auf seinem SiC-Erfolg auf.Weiter zum GaN-Feld, führt aktiv eine Reihe von Kooperationen mit vorgelagerten und nachgelagerten Akteuren der Wertschöpfungskette durch: Erwerb einer Mehrheitsbeteiligung am Galliumnitrid-Innovator Exagan, Übernahme des branchenführenden GaN-Herstellungsverfahrens von TSMC, Zusammenarbeit mit Leti zur Entwicklung einer auf Silizium basierenden Galliumnitrid-Leistungswandlungstechnologie, Zusammenarbeit mit MACOM zur Steigerung der Produktionskapazität für siliziumbasiertes GaN usw.          Die Einführung der ST masterGaN®-Plattform: Beginn einer neuen Ära für kleinere, leichtere und schnellere GaN-Ladegeräte  
     
Die Miniaturisierung von Stromversorgungen hält seit Jahrzehnten an und wird voraussichtlich auch weiterhin neue Marktanwendungen ermöglichen. Zudem ist die Steigerung der Leistungsdichte der Schlüssel zu verbesserter Energieeffizienz und ein Parameter, dem Entwickler große Bedeutung beimessen. Allerdings bestehen nach wie vor erhebliche technische Herausforderungen bei der Realisierung kompakterer und effizienterer Stromversorgungslösungen.  
Als neue Innovationswelle revolutioniert die GaN-HEMT-Technologie (High Electron Mobility Transistor) die Welt der Leistungselektronik. GaN-Leistungs-FET-Transistoren überwinden die Leistungsgrenzen herkömmlicher Silizium-basierter Leistungslösungen und ermöglichen so hohe Geschwindigkeiten, hohe Wirkungsgrade und höhere Leistungsdichten, die mit Silizium-MOSFETs bisher nicht erreicht wurden. Dadurch erschließen sich neue Anwendungsmärkte. Als führender Anbieter und Pionier im Bereich der Leistungsumwandlung seit Jahrzehnten nutzt ST seine beispiellose technische Erfahrung und Systemkompetenz, um diese Innovationswelle zu nutzen und kontinuierlich neue Produkte und Lösungen für ein breiteres Anwendungsspektrum auf den Markt zu bringen.  
ST hat kürzlich die weltweit erste Produktplattform masterGaN® vorgestellt, die einen Silizium-basierten Halbbrücken-Treiberchip und zwei GaN-Transistoren integriert. Diese integrierte Lösung wird die Entwicklung der nächsten Generation leichter, energiesparender Ladegeräte und Netzteile unter 400 W für Unterhaltungselektronik und industrielle Anwendungen beschleunigen.  
   
Die GaN-Technologie ermöglicht es elektronischen Geräten, …Mehr Macht, während das Gerät selbst wirdKleiner, leichter und energieeffizienterDiese Verbesserungen werden ultraschnelle Ladegeräte und kabellose Ladegeräte für Smartphones, kompakte USB-PD-Adapter für PCs und Spielekonsolen sowie industrielle Anwendungen wie Solarenergiespeichersysteme, unterbrechungsfreie Stromversorgungen oder High-End-OLED-Fernseher und Cloud-Server revolutionieren.   
Im heutigen GaN-Markt werden häufig diskrete Leistungstransistoren und Treiber-ICs eingesetzt. Entwickler müssen daher lernen, wie diese optimal zusammenarbeiten, um die bestmögliche Leistung zu erzielen. Die masterGaN-Lösung von STMicroelectronics umgeht diese Herausforderung, verkürzt die Markteinführungszeit und erreicht die erwartete Leistung bei gleichzeitig kleinerem und einfacherem Gehäuse, weniger Schaltungskomponenten und höherer Systemzuverlässigkeit. Durch die Nutzung der Vorteile der GaN-Technologie und der integrierten Produkte von STMicroelectronics sind Ladegeräte und Adapter mit den neuen Produkten effizienter als herkömmliche Silizium-basierte Lösungen.Verringern Sie die Größe um 80 %, reduzieren Sie das Gewicht um 70 % und verdoppeln Sie die Ladegeschwindigkeit..  
   
      Die einzigartigen Vorteile der masterGaN-Produktplattform  
     
Matteo Lo Presti, Executive Vice President und General Manager der Analog Products Division von STMicroelectronics, sagte: „Die einzigartige masterGaN-Produktplattform von ST basiert auf unserer markterprobten Expertise und unseren Designfähigkeiten und integriert den intelligenten Hochspannungs-BCD-Prozess mit der GaN-Technologie. Dadurch kann die Entwicklung platzsparender, energieeffizienter und umweltfreundlicher Produkte beschleunigt werden.“
 

Der masterGaN1 ist das erste Produkt der masterGaN-Plattform von STMicroelectronics und integriert zwei GaN-Leistungstransistoren in Halbbrückenkonfiguration sowie High- und Low-Side-Treiberchips. Der masterGaN1 ist in einem nur 1 mm dicken 9 mm × 9 mm großen GQFN-Gehäuse untergebracht und wird aktuell in Serie gefertigt. Zusätzlich bietet STMicroelectronics ein Evaluierungsboard an, um Kunden den schnellen Einstieg in ihre Leistungselektronikprojekte zu ermöglichen.

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