Forschung & Entwicklung

In der Welt der Elektronik ist ein Machtkampf im Gange. Schnellere und effizientere Galliumnitrid-Halbleiter haben die traditionellen Silizium-MOSFETs bereits in einer Reihe von Anwendungen verdrängt. Aber ist GaN wirklich bereit, den Thron zu übernehmen?

Was ist Galliumnitrid (GaN)?

Galliumnitrid ist ein Halbleitermaterial mit direkter Bandlücke, das zur Herstellung von Halbleiterbauelementen wie Transistoren und Dioden verwendet wird. Diese Hochleistungsverbindung wurde erstmals in den 1990er Jahren auf dem Markt für Leistungselektronik als wichtiger Bestandteil von Leuchtdioden (LEDs) eingesetzt. GaN hat eine besonders breite Bandlücke von 3,2 eV, wodurch es sehr hohe Spannungen verarbeiten und bei hohen Temperaturen arbeiten kann.

Es kann für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden – von optoelektronischen Geräten bis hin zu Hochfrequenz-Funkkommunikation – und es werden ständig neue Verwendungsmöglichkeiten für dieses effiziente, hochleistungsfähige Halbleitermaterial gefunden.

Zu den aktuellen GaN-Anwendungen gehören:

• Laser und photonische Anwendungen wie Leuchtdioden (LEDs)

• Solarzellen für photovoltaische Systeme

• Strahlen-gehärtete Transistoren für Satelliten

• Funkfrequenzkomponenten wie HF-Leistungsverstärker

• Drahtlose Energieübertragung, e.z. B. kabellose Ladegeräte für Telefone, Laptops, Spielkonsolensteuerungen, Herzpumpen und andere medizinische Anwendungen

• Gleichstromwandler für Datenübertragungsanwendungen, z. B. Serverfarmen und zentrale Telekommunikationszentren

• LiDar (Light Detection and Ranging), z. B. Geräte in autonomen Autos, die Entfernungen mit Hilfe von Lasern messen

• Bildgebung und Sensorik, z. B. Leistungsverstärker für Mikrowellen- und Terahertz-Geräte

GaN vs. Silizium

Bevor GaN seinen Siegeszug antrat, war Silizium lange Zeit das am häufigsten verwendete Material zur Herstellung von Halbleitern. Die Erfindung des Silizium-MOSFET (Metall-Oxid-Silizium-Falleffekttransistor) revolutionierte die Computertechnik und ebnete den Weg für das digitale Zeitalter. Jetzt, nach jahrzehntelanger Dominanz, scheint es, dass Silizium seinen Höhepunkt erreicht haben könnte. Nach Ansicht der Galliumnitrid-Experten von GaN Systems „stoßen wir an die theoretische Grenze, wie sehr Silizium-MOSFETs verbessert werden können und wie energieeffizient sie sein können“.

Ein Blick auf die Eigenschaften und Fähigkeiten der beiden Halbleiter deutet darauf hin, dass der leistungsstarke Newcomer das Silizium schließlich ablösen wird. Beim Vergleich von GaN und Silizium ist die Bandlücke ein guter Ausgangspunkt. Die Bandlücke von GaN beträgt 3,4 eV, während Silizium einen Wert von nur 1,12 eV aufweist. Das bedeutet, dass GaN-Halbleiter höheren Spannungen standhalten und höhere Temperaturen aushalten können als Silizium-MOSFETs. Der Strom kann schneller durch GaN-Halbleiter fließen, was eine höhere Effizienz und geringere Schaltverluste gewährleistet, wenn sie in hart schaltenden Anwendungen eingesetzt werden. Sie haben eine geringere Kapazität als Silizium-MOSFETs, was bedeutet, dass beim Laden und Entladen der Geräte weniger Strom verloren geht. GaN-Halbleiter benötigen auch weniger Platz auf Leiterplatten, was die Herstellung immer kleinerer elektronischer Geräte ermöglicht.

Ein weiterer wichtiger Faktor sind die Kosten. Es ist möglich, Galliumnitridkristalle auf Silizium zu züchten, so dass sie in bestehenden Siliziumproduktionsanlagen hergestellt werden können und keine kostspieligen speziellen Produktionsstätten erfordern. Obwohl die Herstellung von Galliumnitridkristallen derzeit noch teurer ist als die von Silizium, senken GaN-Halbleiter die Gesamtproduktionskosten eines Systems, indem sie die Größe und die Kosten anderer Komponenten verringern.

Durch ihre überlegene Geschwindigkeit und Effizienz eignen sich GaN-Halbleiter auch besser für die Einhaltung der Umweltverschmutzungsvorschriften, die zur Eindämmung des Klimawandels erforderlich sind.

Gibt es irgendetwas, was GaN nicht kann?

Was Halbleiterbauelemente angeht, scheint GaN alle Kriterien zu erfüllen. Doch trotz seines weit verbreiteten Einsatzes in einer Vielzahl von Branchen gibt es immer noch einige Anwendungen, die es noch nicht beherrscht.

Auch wenn GaN-Halbleiterbauelemente beispielsweise für optoelektronische und Hochfrequenzanwendungen unverzichtbar geworden sind, sind GaN-Transistoren noch nicht so vielseitig wie Silizium-MOSFETs. Das Problem liegt darin, dass es sich bei den meisten GaN-Transistoren um Verarmungstransistoren oder „normally-on“-Transistoren handelt. Laut der Zeitschrift Power Electronics sind „Transistoren im Verarmungsmodus unpraktisch, da beim Einschalten eines Stromrichters zunächst eine negative Vorspannung an die Leistungsbauelemente angelegt werden muss, da sonst ein Kurzschluss entsteht“. Hinzu kommt, dass elektronische Schaltungen in der Regel sowohl Verarmungstransistoren als auch Anreicherungstransistoren benötigen. Es wurden jedoch bereits Lösungen für dieses Problem entwickelt, und es ist sicherlich nur eine Frage der Zeit, bis GaN-Halbleiter in noch mehr Produkten und Branchen zum Einsatz kommen werden.