Forscher aus Frankreich und der ETH Zürich haben erstmals Hochgeschwindigkeits-Transistoren hergestellt, die zehnmal schneller laufen, kaum Kühlung benötigen und billig sind in der Produktion. Sie beweisen der Halbleiter-Industrie, dass Galliumnitrid-Silizium-Transistoren technologisch den Durchbruch schaffen.
Forscher der ETH verhelfen Transistoren aus Galliumnitrid zur Massenproduktion. Auf dem Bild sind Varianten des Fraunhofer Instituts zu sehen. (pd)
«Technisch gesehen ist alles da, um dieser Technologie zum Durchbruch zu verhelfen. Es fehlt ein Industriepartner, der die Galliumnitrid-Silizium-Elektronik auf den Markt bringen will», sagt ETH-Professor Colombo Bolognesi. Im Idealfall könnten alte Bauteile bei Bedarf durch die neuen aus Galliumnitrid (GaN) ersetzt werden.
«Noch basieren die meisten Transistoren auf Silizium. Dieser Halbleiter dient nicht nur als Substrat, sondern auch zum Bau von Transistoren und Chips. Ziemlich alles in der Elektronik besteht aus Silizium. Es ist ein grossartiges Material», so Bolognesi gegenüber «ETH Life» und er fügt hinzu: «Es ist ein Geschenk Gottes an die Ingenieure.»
Durchbruch der Materialforschung
Es ist wegen den verschiedenen Materialeigenschaften schwierig, Silizium und GaN auf einem Wafer zu vereinen; beispielsweise kann es beim Erwärmen zu Rissen kommen. Den Forschern um ETH-Professor Colombo Bolognesi ist nun ein Durchbruch gelungen. Sie arbeiten an einer neuen Galliumnitrid-Transistortechnologie mit Silizium (110) als Substrat. Dies ist billig und erlaubt 30 Zentimeter grosse Wafer für die Massenproduktion.
«Silizium ist ein grossartiges Material und ein Geschenk Gottes an die Ingenieure» Colombo Bolognesi, ETH
Bei hohen Temperaturen ab 200 Grad Celsius steigen siliziumbasierte Geräte aus. Galliumnitrid dagegen erträgt Temperaturen bis zu 1’000 Grad. GaN widersteht zudem bis zu 15 Mal höheren elektrischen Feldern als Silizium, weil sich die Elektronen schneller bewegen als in Silizium. Dies ermöglicht schnellere Schaltungen. «Das ist insbesondere für die Telekommunikation wichtig, da die Informationen rascher und effizienter verarbeitet werden», sagt der ETH-Professor.
Ungenutzte Potenziale zum Energiesparen
Dank der grossen Hitzeresistenz benötigt das Material kaum Kühlung. Würden Basisstationen von Mobilfunkanlagen mit GaN-Transistoren ausgerüstet, stiege die Leistung um das zehnfache heutiger Installationen und es entfielen stromfressende Kühlanlagen. Bei Netzteilen beispielsweise für PC und Notebooks sorgt ein Wandler für die richtige Gerätespannung. Durch GaN-Technologie werden Netzteile viel energieeffizienter. «Der weltweite Energieverbrauch könnte um ein Viertel gesenkt werden, wenn die Energie am Ort des Verbrauchs intelligent eingesetzt würde», so Bolognesi.
(Marco Rohner)
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