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Galliumoxid als ultraweiter Bandlücken-Halbleiter?

In mikroelektronischen Komponenten ist die Bandlücke ein wesentlicher Faktor, der die elektrische Leitfähigkeit des jeweiligen Materials bestimmt. Substanzen mit großen Bandlücken sind in der Regel Isolatoren, die den Strom nicht gut leiten - solche mit kleineren Bandlücken sind Halbleiter.

Eine neuere Halbleiterklasse mit ultrabreiten Bandlücken (UWB) ist in der Lage, bei wesentlich höheren Temperaturen und Leistungen zu arbeiten als herkömmliche siliziumbasierte Chips mit kleinen Bandlücken, die aus voll entwickelten Bandlückenmaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) hergestellt werden.

Im "Journal of Applied Physics" geben Forscher der University of Florida, des U.S. Naval Research Laboratory und der Korea University einen detaillierten Überblick über die Eigenschaften, Fähigkeiten, aktuellen Einschränkungen und zukünftigen Entwicklungen einer der vielversprechendsten UWB-Verbindungen - Galliumoxid (Ga2O3).

Galliumoxid besitzt eine extrem breite Bandlücke von 4,8 Elektronenvolt (eV), die Silizium mit 1,1 eV in den Schatten stellt und die 3,3 eV von SiC und GaN übertrifft. Der Unterschied gibt Ga2O3 die Fähigkeit, einem größeren elektrischen Feld zu widerstehen, als es Silizium, SiC und GaN können, und zwar ohne Durchbruch.

Darüber hinaus funktioniert Ga2O3 mit der gleichen Spannungshöhe über eine kürzere Distanz. Dies macht sie für die Herstellung kleinerer, effizienterer Hochleistungstransistoren unentbehrlich.

"Galliumoxid bietet Halbleiterherstellern ein vielfach anwendbares Substrat für mikroelektronische Bauelemente", sagte Stephen Pearton, Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen an der 'University of Florida' und Autor des Forschungsberichtes.

"Diese Materialverbindung scheint für den Einsatz in Stromverteilungssystemen ideal zu sein, die Elektroautos oder Wechselrichter laden, die Strom aus alternativen Energiequellen wie Windkraftanlagen in das Stromnetz einspeisen."

Pearton und seine Kollegen untersuchten auch das Potenzial von Ga2O3 als Basis für MOSFETs. "Traditionell werden diese winzigen elektronischen Schalter aus Silizium für den Einsatz in Laptops, Smartphones und anderer Elektronik hergestellt", sagte Pearton.

"Für Systeme wie Elektroautoladestationen brauchen wir aber MOSFETs, die mit höherer Leistung arbeiten können als siliziumbasierte Systeme, und da könnte Galliumoxid die bessere Lösung sein."

Um diese fortschrittlichen MOSFETs zu realisieren, stellte man fest, dass verbesserte Gate-Dielektrika erforderlich sind, zusammen mit Wärmemanagementkonzepten, die den Geräten effektiver Wärme entziehen.

Pearton kam zu dem Schluss, dass Ga2O3 SiC und GaN als die nächsten primären Halbleitermaterialien nach Silizium nicht ersetzen wird, sondern eher eine Rolle bei der Erweiterung des Leistungs- und Spannungsbereichs spielen wird, der für ultrabreite Bandlückensysteme zugänglich ist.

"Die vielversprechendste Anwendung könnten Hochspannungsgleichrichter in der Spannungsaufbereitung und Verteilungssystemen sein, wie Elektroautos und Fotovoltaik-Solarsystemen", sagte er.

Titel des Artikels: Perspective: Ga2O3 for ultra-high power rectifiers and MOSFETS
Autoren: S.J. Pearton, F. Ren, M. Tadjer und J. Kim.

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