Silizium ist seit fast 60 Jahren die Grundlage der Halbleitertechnologie. In über einem halben Jahrhundert haben Ingenieure und Hersteller jedoch enorme Fortschritte in der Siliziumherstellung, im Design integrierter Schaltkreise und in Halbleiteranwendungen gemacht. Das Mooresche Gesetz zeigt, dass Forscher kurz davor stehen, die theoretische Grenze siliziumbasierter Halbleiter zu erreichen.
Obwohl Silizium-Halbleitersubstrate für einige Elektronikanwendungen perfekt geeignet sind, suchen Forscher und Halbleiterhersteller seit langem nach robusteren Alternativen zu Silizium für bestimmte Anwendungen. Diese Wissenschaftler waren in den letzten Jahrzehnten unterschiedlich erfolgreich, doch es hat sich eine starke Alternative zu Silizium herauskristallisiert: Galliumnitrid-Halbleiter (GaN).
Galliumnitrid-Halbleiterstruktur
Galliumnitrid ist ein Halbleiter mit Wurtzitkristallstruktur, der mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) hergestellt wird. Bei diesem Vorgang verbinden sich Gallium und Stickstoff zur Bildung des Kristalls. Für diese Synthese gibt es verschiedene Mischungen, aber ein Beispiel für die GaN-Synthese nutzt Ammoniak (NH3) als Stickstoffquelle und eine Galliumquelle wie Trimethylgallium.
Die Kristallstruktur von GaN weist einige Gleichmäßigkeitsprobleme auf und erreicht manchmal Millionen von Defekten pro Zentimeter. Mit den modernsten MOCVD-Techniken konnte die Anzahl der Defekte pro Zentimeter jedoch auf 100 bis 1.000 reduziert werden, sodass größere GaN-Kristalle als Wafer gezüchtet und verwendet werden können. Wenn es Wissenschaftlern gelingt, GaN mit einer geringen Fehlerquote zu synthetisieren, weist die Verbindung mehrere ausgeprägte kristalline Eigenschaften auf, die ihr wünschenswerte Merkmale für Halbleiteranwendungen verleihen.
Bandlückenvorteil von GaN gegenüber Silizium
Einer der bedeutendsten Vorteile von Galliumnitrid gegenüber Silizium ist seine Bandlücke, die ihm verschiedene elektrische Eigenschaften verleiht, die es für Anwendungen mit höherer Leistung qualifizieren. Galliumnitrid hat eine Bandlücke von 3,2 Elektronenvolt (eV), während die Bandlücke von Silizium nur 1,1 eV beträgt. Da die Bandlücke von GaN fast dreimal so groß ist wie die von Silizium, ist wesentlich mehr Energie erforderlich, um ein Valenzelektron in das Leitungsband des Halbleiters anzuregen. Diese Funktion begrenzt den Einsatz von GaN in Anwendungen mit sehr niedriger Spannung, ermöglicht GaN jedoch höhere Durchbruchspannungen und mehr thermische Stabilität bei höheren Temperaturen.
GaN-Durchbruchfeld
Die Durchbruchfeldstärke von GaN beträgt 3,3 MV/cm, während Silizium eine Durchbruchfeldstärke von 0,3 MV/cm aufweist. Dadurch sind Galliumnitrid-Halbleiter zehnmal besser in der Lage, Hochspannungsdesigns zu unterstützen, bevor sie ausfallen. Aufgrund der höheren Durchbruchfeldstärke ist Galliumnitrid in Hochspannungsschaltungen, beispielsweise in Hochleistungsprodukten, Silizium überlegen. Hersteller und Ingenieure können GaN auch in ähnlichen Spannungsanwendungen verwenden und dabei einen deutlich geringeren Platzbedarf beibehalten. Silizium weist im Vergleich dazu eine deutlich höhere Leistungsdichte auf.
Galliumnitrid vs. Silizium-Elektronenmobilität
Silizium hat eine Elektronenbeweglichkeit von 1500 cm2/Vs, während Galliumnitrid eine Elektronenbeweglichkeit von 2000 cm2/Vs hat. Daher können sich die Elektronen in Galliumnitrid-Kristallen um mehr als 30 % schneller bewegen als die Elektronen in Silizium. Diese Mobilität der Elektronen verschafft Galliumnitrid einen deutlichen Vorteil für den Einsatz in RF-Komponenten, da es höhere Schaltfrequenzen bewältigen kann als Silizium.
Vergleich der Wärmeleitfähigkeit
Ein Nachteil von Galliumnitrid gegenüber Silizium ist seine geringere Wärmeleitfähigkeit. Galliumnitrid hat eine Wärmeleitfähigkeit von 1,3 W/cmK, während Silizium hier einen Wert von 1,5 W/cmK erreicht. Während Galliumnitrid möglicherweise nicht so gut für hohe thermische Belastungen geeignet ist, verringert die Effizienz von GaN bei vergleichbaren Spannungen die von der Schaltung erzeugte thermische Belastung, was bedeutet, dass es kühler läuft als Silizium.
Sehen Sie sich ein Beispiel für diesen Unterschied bei der Wärmeleitfähigkeit an, bei dem EPC Corporation eine Reduzierung des Leistungsverlusts um 40 % beim Vergleich eines 120-zu-12-V-12A-GaN-FET mit einem MOSFET demonstriert. Der GaN-FET läuft wiederum fast zehn Grad kühler und spart im Betrieb Energie.
Herstellbarkeit von Silizium- und GaN-Halbleitern
Der technologische Fluch von Galliumnitrid ist sein Herstellungsprozess, insbesondere im Vergleich zum weit verbreiteten, standardisierten Herstellungsprozess von Silizium. Galliumnitrid beispielsweise weist auf einer kleinen Fläche eine enorme Anzahl von Kristalldefekten auf. Zum Vergleich: Silizium kann einen Wert von nur 100 Defekten pro Quadratzentimeter erreichen. Vor diesem Jahrhundert war es Ingenieuren nie gelungen, GaN-Substrate mit weniger als einer Milliarde Defekten/cm herzustellen.
Offensichtlich ist diese große Menge an Defekten pro Fläche angesichts der meisten Designanforderungen bei der Halbleiterherstellung unglaublich ineffektiv. Die Defekte schränkten GaN-Halbleitersubstrate außerdem allein durch ihre physikalische Größe ein. Zwar konnte durch neue Fertigungstechniken die Anzahl der Defekte auf ein effizienteres Maß gesenkt werden, die Kosten für die Herstellung der gleichen Menge an GaN-Wafern sind aber noch immer nicht mit denen von Silizium konkurrenzfähig.
Ist Galliumnitrid besser als Silizium?
GaN hat beim Einsatz in Halbleiteranwendungen deutliche Vorteile gegenüber Silizium. Für Galliumnitrid gibt es zwei Haupthürden:
- Fehlerkontrolle in der Fertigung
- Aufrechterhaltung der Kosteneffizienz
Galliumnitrid ist effizienter, thermisch stabiler und sicherlich besser für den Einsatz in Leistungsgeräten geeignet, die eine höhere Belastung oder höhere Frequenzen bei höheren Temperaturen erfordern. GaN-Material ist zukunftssicher für die Halbleiterwelt und wird zu leichter verfügbaren kleinen Hochfrequenzprodukten führen. Lernen Sie eine Vielzahl von Energieprodukten kennen, darunter auch GaN-MOSFETs.