Nach Siliziumkarbid kommt das Oxid: Warum Galliumoxid die Leistungselektronik reizt
Eine Berliner Institutsausgründung hat nach eigenen Angaben zwei Millionen Euro für die Produktion von Galliumoxid-Wafern eingesammelt. Interessanter als die Summe ist das Material: Es verspricht höhere Spannungsfestigkeit bei niedrigeren Herstellungskosten – und hat eine physikalische Schwäche, die sich nicht wegentwickeln lässt.
In der Leistungselektronik – also überall dort, wo elektrische Energie geschaltet, gewandelt und geregelt wird – hat sich in den vergangenen zwanzig Jahren eine Ablösung vollzogen, die außerhalb der Branche kaum wahrgenommen wurde. Silizium, jahrzehntelang das Standardmaterial, stößt bei hohen Spannungen und Frequenzen an physikalische Grenzen. An seine Stelle sind in Ladegeräten, Wechselrichtern und Antriebssträngen zunehmend Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) getreten. Beide gelten als Wide-Bandgap-Halbleiter: Ihre Bandlücke, also die Energie, die ein Elektron zum Sprung ins Leitungsband braucht, ist deutlich größer als die von Silizium.
Nun rückt ein drittes Material nach, das in dieser Kennzahl beide übertrifft. Anlass für einen Blick darauf ist eine Meldung aus Berlin: Ein Spin-off des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung hat nach eigenen Angaben eine Vorfinanzierungsrunde über zwei Millionen Euro abgeschlossen und will Epitaxiewafer aus Galliumoxid herstellen. Ob daraus ein tragfähiges Geschäft wird, ist offen. Die Materialfrage dahinter ist unabhängig davon interessant.
Was die große Bandlücke bedeutet
Silizium hat eine Bandlücke von rund 1,1 Elektronenvolt, Siliziumkarbid liegt bei etwa 3,3, Galliumnitrid bei rund 3,4. Beta-Galliumoxid kommt auf etwa 4,8 Elektronenvolt. Aus dieser Größe folgt vor allem eine hohe Durchbruchfeldstärke: Das Material hält stärkere elektrische Felder aus, bevor es leitend zusammenbricht. Praktisch heißt das, dass ein Bauelement für dieselbe Sperrspannung dünner ausfallen kann. Dünner wiederum bedeutet weniger Widerstand im leitenden Zustand – und damit weniger Verlustwärme bei jedem Schaltvorgang. In Anwendungen mit vielen tausend Schaltzyklen pro Sekunde summiert sich das.
Der zweite, in der Fachdiskussion oft betonte Punkt betrifft nicht die Physik, sondern die Kasse. Siliziumkarbid-Kristalle werden in einem aufwendigen Sublimationsverfahren bei sehr hohen Temperaturen gezogen; das macht die Substrate teuer und die Ausbeute empfindlich. Galliumoxid dagegen lässt sich aus der Schmelze ziehen, ähnlich wie Silizium selbst. Verfahren dieser Art gelten grundsätzlich als besser skalierbar und günstiger. Genau darin sehen Forschungseinrichtungen und Start-ups den eigentlichen Hebel: nicht in einem physikalischen Rekord, sondern in der Aussicht auf ein Wide-Bandgap-Material zu Preisen, die näher an Silizium liegen.
Die Schwäche, die bleibt
Zwei Probleme stehen dem entgegen, und mindestens eines davon ist grundlegender Natur. Galliumoxid leitet Wärme schlecht – deutlich schlechter als Silizium und um ein Vielfaches schlechter als Siliziumkarbid. Ein Bauelement, das Verluste erzeugt, muss diese Wärme aber loswerden. Die Konsequenz ist, dass der Materialvorteil nur dann trägt, wenn die Entwärmung anders gelöst wird als bisher: über die Bauelementrückseite, über Trägersubstrate aus fremdem Material oder über Aufbautechniken, die den Chip thermisch anders anbinden. Die Wärmeabfuhr wird damit vom Detail zum Konstruktionsproblem.
Hinzu kommt, dass sich Galliumoxid bislang praktisch nur n-leitend dotieren lässt. Eine brauchbare p-Dotierung fehlt, und damit fehlt die Grundlage für viele klassische Bauelementarchitekturen, die auf dem Zusammenspiel beider Leitungstypen beruhen. Die Forschung weicht deshalb auf Strukturen aus, die ohne p-Gebiete auskommen – Schottky-Dioden etwa oder Transistoren mit besonderer Gate-Gestaltung. Ob sich daraus ein vollständiges Bauelementportfolio ergibt, ist derzeit nicht entschieden.
Ein Materialwettbewerb mit langen Fristen
Für die Einordnung ist deshalb Zurückhaltung angebracht. Siliziumkarbid brauchte von den ersten kommerziellen Wafern bis zum breiten Einsatz in Serienfahrzeugen rund zwei Jahrzehnte. Neue Halbleitermaterialien setzen sich nicht durch, weil sie in einer Kennzahl vorn liegen, sondern wenn Substratqualität, Prozesstechnik, Zuverlässigkeitsnachweise und Lieferketten gleichzeitig stimmen. Galliumoxid steht bei den meisten dieser Punkte am Anfang.
Bemerkenswert ist der Vorgang dennoch aus einem anderen Grund. Die Substratfertigung für Leistungshalbleiter ist ein Feld, auf dem europäische Anbieter zuletzt an Boden verloren haben. Dass die Kristallzüchtungskompetenz für ein potenzielles Nachfolgematerial in einem hiesigen Institut liegt, ist industriepolitisch ein anderer Ausgangspunkt als bei den etablierten Materialien. Ob er genutzt wird, entscheidet sich nicht in der Finanzierungsrunde, sondern in den kommenden Jahren im Labor.
Dieser Beitrag ist eine redaktionelle Einordnung eines Branchen- und Forschungstrends. Angaben zu einzelnen Unternehmen beruhen auf deren eigenen Mitteilungen.