20. Dezember 2024

Fortschritt in der Leistungselektronik mit Beta-Galliumoxid

Verbundprojekt „ForMikro-GoNext“ mit Beteiligung von IKZ und FBH erfolgreich abgeschlossen

REM-Querschnittsbild eines vollständig prozessierten Beta-Ga₂O₃-FinFET-Bauelements © IKZ

Im Verbundprojekt „ForMikro-GoNext“ wurde Beta-Galliumoxid (β-Ga₂O₃) als zukunftsweisendes Halbleitermaterial für effiziente Leistungselektronik weiterentwickelt. Die Partner realisierten dabei entlang der gesamten Wertschöpfungskette von Volumenkristallzüchtung über Epitaxie hin zur Bauelemententwicklung und –Charakterisierung signifikante Fortschritte. Durch die Demonstration von vertikalen Transistoren auf Basis von β-Ga₂O₃ erfolgte eine Evaluierung des Materialsystems. Die Ergebnisse des Projekts wurden dabei durch die Industriepartner hinsichtlich der industriellen Verwertung untersucht und sprechen für eine hohe Industrierelevanz der Ga₂O₃-Technologie. Eine Verwertung in der Halbleiter- und Leistungselektronikindustrie ist daher zu erwarten, was wiederum die Technologiesouveränität Deutschlands stärkt.

Unsere moderne Gesellschaft stützt sich auf eine Vielzahl elektrischer und elektronischer Systeme, welche nahezu alle die Umwandlung von einer Form von Strom in eine andere benötigen, um die Energie für uns nutzbar zu machen. Laut einem Bericht der AG Energiebilanzen e.V. gingen 2021 65% der erzeugten Energie hauptsächlich durch Stromumwandlungsprozesse, Fackel- und Leitungsverluste verloren. Eine effiziente Leistungselektronik ist daher essentiell und ein entscheidender Faktor für die Energiewende. Beta-Galliumoxid hat als neues Halbleitermaterial das Potenzial, diese Umwandlungsverluste zu verringern, Kosten zu senken und so einen signifikanten Beitrag zum Klimaschutz zu leisten.

Das Verbundprojekt „ForMikro-GoNext“ hat die Arbeiten an Beta-Galliumoxid vom Grundlagen- auf das Anwendungsniveau gehoben. In Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ), dem Ferdinand-Braun-Institut (FBH), der Universität Bremen sowie den Industriepartnern Hitachi Energy und AIXTRON wurde das Halbleitermaterial in einer innovativen vertikalen Bauelementarchitektur untersucht, um seine herausragenden Eigenschaften für Transistoren effizient zu nutzen. Innerhalb des Projekts wurde die gesamte Prozesskette weiterentwickelt, wobei signifikante Fortschritte in der Materialforschung (insbesondere bei der Volumenkristallzüchtung und Epitaxie), der Bauelementprozessierung und der (Material- und Bauelement-) Charakterisierung erzielt wurden. Auch die Langzeitstabilität des Materials wurde untersucht. Das Ergebnis ist eindeutig: Es bestehen keine physikalischen Limitierungen die theoretisch vorausgesagten herausragenden Materialeigenschaften zu erreichen, sodass nun der Fokus auf der Skalierung des Prozesses liegt. Die Ergebnisse von GoNext führen die internationalen Ergebnisse an und bilden einen wichtigen Grundbaustein für die Technologiesouveränität Deutschlands auf dem Gebiet der Leistungselektronik.

Das Verbundprojekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 2 Mio € über 4 Jahre (+1 Jahr Verlängerung) gefördert.