Dem Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchtsfrequenztechnik (FBH), ist es gelungen, Galliumoxid-Leistungstransistoren mit Rekordwerten zu entwickeln.

Galliumoxid-Chip, Transistor- und Messstrukturen

Das Ferdinand-Braun-Institut hat einen Galliumoxid-Leistungstransistor mit Rekordwerten entwickelt. FBH/schurian.com

Die neu entwickelten ß-Ga2O3-MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) liefern eine hohe Durchbruchspannung bei zugleich hoher Stromleitfähigkeit. Mit 1,8 kV Durchbruchsspannung und einer Leistung von 155 MW pro cm2 erreichen sie nach Angaben des Ferdinand-Braun-Instituts einzigartige Kennzahlen nahe dem theoretischen Materiallimit von Galliumoxid. Die erzielten Durchbruchfeldstärken lägen weit über jenen von etablierten Halbleitern mit großer Bandlücke wie etwa Siliziumkarbid oder Galliumnitrid.

Auf möglichst wenig Fläche sollen elektronische Bauelemente bei niedrigem Energieverbrauch immer höhere Leistungsdichten erreichen und damit effizienter arbeiten. Herkömmliche Bauelemente stoßen hierbei an ihre Grenzen. Daher forschen Wissenschaftler an neuartigen Materialien und Bauelementen, die diese Anforderungen erfüllen. Dem Ferdinand-Braun-Institut sei nun ein Durchbruch mit Transistoren auf der Basis von Galliumoxid (ß-Ga2O3) gelungen.

Um diese Verbesserungen zu erreichen, setzte das FBH-Team an der Schichtstruktur und an der Gate-Topologie an. Die Basis lieferten Substrate aus dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) mit einer optimierten epitaktischen Schichtstruktur. Dadurch wurden die Defektdichte verringert und die elektrischen Eigenschaften verbessert. Dies führt zu niedrigeren Widerständen im eingeschalteten Zustand. Das Gate ist die zentrale „Schaltstelle“ bei Feldeffekttransistoren, die über die Gate-Source-Spannung gesteuert wird. Dessen Topologie wurde so weiterentwickelt, dass die hohen Feldstärken an der Gate-Kante reduziert werden konnten. Dies wiederum führt zu höheren Durchbruchspannungen.