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Halbleiter mit breitem Bandabstand gewinnen sehr schnell an Boden : Ausgabe 17/2016, 20.10.2016

Elektronik mit Diamanten

Silizium ist derzeit immer noch das Arbeitspferd der Elektronik, aber Halbleiter mit breitem Bandabstand (WBGS) gewinnen in bestimmten Applikationsbereichen jetzt sehr schnell an Boden. Akhan Semiconductor zum Beispiel konzentriert sich auf Diamanten. Das Gespräch mit Adam Khan, CEO Akhan Semiconductor, zeigt die Anwendungsgebiete und das Potenzial der WBGS, Wide-Bandgap-Semiconductors.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: Akhan

Wo haben Halbleiter mit breitem Bandabstand (WBGS) ihren Platz in der Halbleitertechnologie und wo sind die Anwendungsbereiche?

Adam Khan: Halbleiter mit breitem Bandabstand haben das Potenzial, für nahezu die Gesamtheit der Materialien und Bauelemente des globalen Halbleitermarkts von Interesse zu sein, wobei das im Moment besonders im Bereich der Leistungselektronik zutrifft. Jeder Technologiebenutzer versteht, dass Wärme ein besonderes Problem für Handys, Laptops, Tablets und derartige Geräte ist, die sich auch nach kurzer Betriebszeit fühlbar erwärmen. Die Performanceanforderungen der Consumer-Produkte stossen an die physikalischen Grenzen der vorhandenen auf Silizium basierenden Technologien.

Welches sind aktuelle WBGS-Materialien?

Khan: Die vorhandenen WBGS wie Siliziumkarbid und Galliumnitrid befinden sich seit den 1980ern bzw. den 1990ern in intensiver Entwicklung und konnten in Leistungselektronikapplikationen Fuss fassen, wie zum Beispiel in den Bereichen HV-Schaltsysteme und Leistungsinvertersysteme. Zahlreiche weitere Anwendungen ergaben sich in der Optoelektronik, wie im Falle des Galliumnitrids bei den LEDs.

Welches sind die wichtigsten Spezifikationen der WBGS im Vergleich mit anderen Halbleitermaterialien?

Khan: WBGS-Materialien arbeiten im Vergleich mit Silizium mit höheren Spannungen, höheren Frequenzen und Energiedichten. Damit lässt sich mehr Leistung mit kleineren und einfacheren Komponenten von weniger Chips übertragen. Im Gegensatz zu Silizium können beide bei höheren Temperaturen funktionieren und Wärme besser ableiten, wobei Diamanten die höchste thermische Leitfähigkeit aufweisen. Damit erreicht man eine sehr gute Kosten- und Energieeffizienz sowie die nächste Generation an Designmöglichkeiten für Halbleiter.

Was sind die Vor- und Nachteile der aktuellen WBGS?

Khan: Trotz der höheren Herstellungstemperaturen (700 °C) und der Abhängigkeit von kostenträchtigen Substraten wurden auf Siliziumkarbid basierende Technologien durch den langen Reifeprozess das kostengünstigste WBGS-Material. Siliziumkarbid wird derzeit in Leistungskomponenten verwendet und fängt bereits damit an, aufgrund der höheren Betriebstemperatur bei höheren Spannungen eine wichtige Rolle im Markt der elektrischen und hybridelektrischen Fahrzeuge (EV/HEV) zu spielen. Galliumnitrid ist etwas weniger ausgereift als Siliziumkarbid aber mehr als Diamanten. GaN-Komponenten findet man häufig in LEDs, aber aufgrund der direkten Bandlücke und Hochfrequenzperformance des Materials auch im Bereich der Radiofrequenzen und der Leistungselektronik. Trotz ihrer Vorteile verbleiben Galliumnitridmaterialien teurer als nanokristalline Diamanten und Siliziumkarbid mit Einschränkungen hinsichtlich der Verfügbarkeit von grossen Wafern.

Diamanten zeigen theoretisch die beste Performance aller WBGS und übertreffen die Performancemöglichkeiten der konkurrierenden Materialien um mehrere Grössenordnungen. Fortschritte in der Synthese und Halbleiterdotierung führen dazu, dass das Material den heutigen und zukünftigen Marktforderungen gerecht wird. Aber da es das am wenigsten entwickelte WBGS-Material ist, ist die Verfügbarkeit entsprechender Komponenten gegenwärtig limitiert.

Können die WBGS irgendwie Moore's Law verlängern, da aktuelle Technologien anscheinend langsam an ihre Komplexitätsgrenze stossen?

Khan: Aber ganz gewiss. Von der Designperspektive aus haben WBGS-Materialien im Vergleich zu Silizium schnellere Schaltgeschwindigkeiten, was höhere Betriebsfrequenzen mit sich bringt. Daraus ergeben sich schnellere Taktfrequenzen für Logikschaltungen.

Vielleicht noch wichtiger ist die Tatsache, dass sich Diamanten direkt mit vorhandenen Siliziumchips kombinieren lassen. Damit erhält man eine direkte Kühlung der Chipsperrschichten und verbessert zudem die Performance vorhandener Siliziumschaltungen.

Ihr Unternehmen konzentriert sich auf ein WBGS. Bitte erläutern Sie ihre «Miraj Diamond Platform».

Khan: In ihrem Kern besteht unsere «Miraj Diamond Platform» aus zwei bahnbrechenden Innovationen im Bereich der Diamantenhalbleiterforschung – dem CMOS-kompatiblen, nanokristallinen Diamantensyntheseprozess, der vom Argonne National Laboratory entwickelt wurde, und dem n-Typ-Co-Implantierungs-Diamantenprozess, den Akhan Semiconductor auf den Weg gebracht hat.

In Kombination mit entsprechenden Schutzrechten (IP = Intellectual Property) bietet die Plattform innovative Lösungen in den Bereichen Automotive, Raumfahrt, Telekommunikation, Heimelektronik und Militär. Vorhandene Systeme erhalten dadurch eine bessere Zuverlässigkeit und Effizienz, während sich für zukünftige Systeme neue Designmöglichkeiten ergeben.

Welches sind die Herstellungs- und Integrationsaspekte dieser Plattform?

Khan: Kürzlich erschien Akhan im Markt mit innovativen thermischen und optischen Miraj-Diamond-Produkten sowie einer kommerziellen Pilotfertigung unserer ersten Produktserie. Hinzu kommen Produktlizenzen für vertikal integrierte Grossserienkunden.

Gegenwärtig ist die Plattform mit dem 200-mm-Prozessverfahren kompatibel, dem massgebenden Verfahren für Wafergrössen der Leistungselektronik. Weiterhin lässt sich die Plattform direkt mit vorhandenen Silizium- und verschiedenen Glassubstratprozessen integrieren.

Ihr Unternehmen befindet sich im US-Bundesstaat Illinois. Besteht kein Hang, ins Silicon Valley zu ziehen?

Khan: Das Innovationsökosystem von Illinois ist wahrlich einmalig, da es über ein ausgebildetes und weitgehend ungenutztes Arbeitskräftepotenzial verfügt – das Nebenprodukt von zwei nationalen Laboratorien, mehreren Weltklasseuniversitäten und erfolgreichen Technologiefirmen wie Motorola.

Der Bundesstaat selbst unterstützt auch unsere Bemühungen – und erkennt die Wichtigkeit fortgeschrittener Materialherstellungen und die sich daraus ergebene Schaffung von STEM-Jobs (Science, Technology, Engineering and Mathematics). Daraus ergibt sich ein Investitionspaket mit insgesamt mehr als 5 Mio. Dollar. Unser Unternehmen hat eine Präsenz im Silicon Valley, und zwar durch mich und unseren CTO (Chief Technology Officer) Bill Alberth in unserem Büro in San Francisco. 

Infoservice

AKHAN Semiconductor
940 Lakeside Drive, Gurnee, IL 60031, USA
Tel. 001 847 855 84 00, www.akhansemi.com



Adam Khan «Unsere Miraj Diamond Platform besteht aus zwei bahnbrechenden Innovationen im Bereich der Diamantenhalbleiterforschung