ETH-Forscher stellen Turbo-Transistoren her

Der Vorteil: Die ETH-Transistoren sind kompatibel mit gängigen Metalloxid-Halbleiter-Chips (CMOS), die auf Silizium mit derselben Kristallorientierung basieren.

CMOS-Chips werden nur auf Silizium mit der so genannten (100)- oder (110)-Ausrichtung seiner Kristalle fabriziert. GaN dagegen konnte bis anhin nur auf (111)-Silizium verwendet werden. Damit wird der Bau von Elektronikkomponenten möglich, welche die Rechenleistung des CMOS-Chips und das Energiemanagement von GaN vereinen. Dies ermöglicht eine weitere Miniaturisierung in der Leistungselektronik.

Transistoren werden für die Verstärkung von elektrischem Strom und Radiofrequenz-Signalen sowie für Hochspannungsschaltungen verwendet und bestanden bisher mehrheitlich aus Silizium. Seit kurzem beginnen Elektroingenieure, die Vorteile von Galliumnitrid für den Bau von Leistungselektronik auszunutzen, um schnellere, hitzeresistente und vor allem energieeffiziente Transistoren zu entwickeln.

Siliziumträger verbilligt Nitrid-Technologie

Die Galliumnitrid-Technologie galt bis anhin jedoch als zu teuer, um die Siliziumtechnologie zu verdrängen. Den Forschern um den ETH-Professor Colombo Bolognesi ist es aber gelungen, Galliumnitrid auf einem Siliziumwafer wachsen zu lassen, was diese Technologie viel wirtschaftlicher macht. Als Trägermaterial diente ihnen reines Silizium, das eine spezielle Kristall-Orientierung aufweist. Dies wird als Silizium(110) bezeichnet. Dieses Substrat kostet knapp 50 Cent pro Quadratzentimeter.

Saphir oder Silizium-Carbid (SiC) als bisheriges Trägermaterial kostet hingegen rund fünf Dollar beziehungsweise bei SiC sogar 20 Dollar pro Quadratzentimeter. Mit Silizium können zudem grosse Wafer-Scheiben von 30 Zentimetern Durchmesser hergestellt werden, was mit Saphir und SiC nicht möglich ist. Weil aber GaN und Silizium verschiedene Materialeigenschaften besitzen, ist es schwierig, die beiden Materialien auf einem Wafer zu vereinen.

So kann es sein, dass sich bei Erwärmung auf dem Wafer Risse bilden, da sich die Materialien unterschiedlich stark ausdehnen. Die französischen Forscherkollegen von Bolognesi haben jedoch Mittel und Wege gefunden, um GaN auf Silizium(110) wachsen zu lassen und diese Schwierigkeiten somit zu umgehen.

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