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Neues Material für hochspannende Chips

Der Freie-Elektronen-Laser im Forschungszentrum. Foto: HZDR, Frank Bierstedt

Elbe-Beschleuniger im Forschungszentrum. Foto: HZDR, Frank Bierstedt

Helmholtz Dresden spickt Galliumoxid mit Wasserstoff

Dresden, 12. November 2020. Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat gemeinsam mit Instituten aus Ohio, Berkeley und Los Alamos ein neues Material entwickelt, das sich für besonders billige und sparsame Leistungselektronik für Elektroautos, Hochgeschwindigkeitszüge und Solarkraftwerke eignet. Dafür haben die Forscher und Forscherinnen eine spezielle Galliumoxid-Art mit Wasserstoff-Atomen beschossen, teilte das HZDR heute mit. Durch diese „Dotierung“ kann dieses Halbleitermaterial nun mit schwachen Steuersignale auch sehr starke Ströme und hohe Spannungen umschalten.

Halbleiter war bisher nur schwer dotierbar

Galliumoxid ist zwar schon längere Zeit Halbleiter bekannt. Es gilt als besonders vielversprechend für die Konstruktion von Leistungselektronik. Denn Galliumoxid hat eine besonders breite „Bandlücke“. Das heißt, die Elektronen in den Atomen brauchen sehr starke Energieimpulse, um in das sogenannte „Leitungsband“ hinauf zu springen, das ein Material erst elektrisch leitfähig macht.

Galliumoxid eignet sich nach dem Beschuss mit Wasserstoff-Atomen als Material für effektive Leistungselektronik. Abb.: Juniks für das HZDR

Galliumoxid eignet sich nach dem Beschuss mit Wasserstoff-Atomen als Material für effektive Leistungselektronik. Abb.: Juniks für das HZDR

Ultrabreite Bandlücke

„Die Bandlücke von Galliumoxid gilt unter Experten als ultrabreit“, erläutert Dr. Andreas Wagner, der am HZDR die Kernphysik-Abteilung leitet. „Sie macht das Material besonders attraktiv für die Leistungselektronik, denn sie verspricht Anwendungen in Bereichen hoher elektrischer Feldstärken, bei denen heute etablierte Halbleitermaterialien unweigerlich zerstört würden.“ Doch Chipfabriken konnten Galliumoxid bisher nicht sinnvoll verarbeiten, weil sich Galliumoxid nur schwer durch Beschuss mit Fremdatomen in seinen elektronischen Eigenschaften manipulieren ließ.

Forscher hoffen auf billige und sparsame Leistungselektronik

Deshalb haben die Forschungsteams aus Sachsen und den USA für ihre Versuche die allereinfachsten Atome – nämlich Wasserstoff-Teilchen – für ihre Dotierungsversuche an der Verbindung β-Ga2O3 eingesetzt. Dadurch fluteten sie das Material mit Elektronen und Elektronenlöchern. Dabei konnten sie durch die Intensität dieses Atombeschusses beeinflussen, wo besonders viele negative und wo viele positive Ladungsträger umher vagabundieren. Die neue Dotierungstechnologie soll den Energieverbrauch und die Herstellungskosten in der Leistungs- und Optoelektronikproduktion drastisch verringern.

Autor: hw

Quelle: HZDR

Wissenschaftliche Publikation:

M. M. Islam, M. O. Liedke, D. Winarski, M. Butterling, A. Wagner, P. Hosemann, Y. Wang, B. Uberuaga, F. A. Selim, Chemical manipulation of hydrogen induced high p-type and n-type conductivity in Ga2O3, in Scientific Reports, 2020 (DOI: 10.1038/s41598-020-62948-2)

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