Sie sind klein, robust und energieeffizient: Leuchtdioden gehören längst zu unserem Alltag. Man findet sie in Taschenlampen, Scheinwerfern, Ampeln oder Deckenleuchten. Es sind Halbleiterkristalle, die Licht ins Dunkel bringen: Galliumnitrid beispielsweise. Die chemische Verbindung aus Gallium und Stickstoff sorgt für blaues und sogar weißes Licht. In der Beleuchtungsszene hat Galliumnitrid längst den Siegeszug angetreten.

Doch in dem Kristallmaterial steckt deutlich mehr Potenzial: Fachleute aus der Leistungs- und Optoelektronik sprechen inzwischen vom Wundermaterial der Zukunft. »Mit Galliumnitrid steht ein Halbleiter zur Verfügung, der durch sehr gute physikalische Eigenschaften überzeugt, die sich in niedrigen Verlusten, hohem Wirkungsgrad und damit hoher Energieeffizienz widerspiegeln. Deshalb ist Galliumnitrid für eine Reihe von Anwendungen äußerst interessant«, erklärt Dr. Jochen Friedrich. Der Wissenschaftler ist stellvertretender THM-Sprecher und leitet die Kristallzüchtung am Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen.

Über Jahrzehnte hinweg war, ist und bleibt Silizium die Nummer eins als Halbleitermaterial, doch getrieben durch neue Anwendungen haben sich die Anforderungen an das Halbleitermaterial so stark weiterentwickelt, dass der konventionelle Werkstoff an seine Grenzen stößt. Galliumnitrid ist ein Material, das durch seine physikalischen Eigenschaften dem Silizium für optische und elektrische Anwendungen in der Leistungselektronik und im Hochfrequenzbereich deutlich überlegen ist. 

Galliumnitrid interessant für Elektroautos und Mobilfunk

So setzt die Leistungselektronik für hocheffiziente, verlustarme Bauelemente in der Photovoltaik, in Computernetzteilen, im Mobilfunk oder für Elektro- und Hybridautos zunehmend auf den neuen Werkstoff. Leistungskonverter, wie sie in Elektrofahrzeugen benötigt werden, spielen eine immer bedeutendere Rolle. Schließlich bestimmen ihr Wirkungsgrad und ihre Leistungsdichte den Erfolg fast aller Green-Car-Konzepte für künftige Hybrid- und Elektroautos entscheidend mit. Das Motto lautet: mehr Leistung bei weniger Energieverbrauch. Und auch im Mobilfunk wird der Halbleiter künftig eine wichtige Rolle spielen, wenn es um effizientes Verstärken und schnelles Übertragen von Informationen geht. Das Mobilfunknetz in Deutschland verbraucht insgesamt so viel elektrische Energie, wie ein mittelgroßes Kraftwerk erzeugt. 80 Prozent des Energiebedarfs fallen allein in den Mobilfunk-Basisstationen an – und zwar vor allem fürs Verstärken und Kühlen. Deshalb sollen dort langfristig GaN-Bauelemente die bisherigen Siliziumbauelemente ersetzen. Damit ließe sich der Energieverbrauch – verglichen mit dem der heutigen Technologie – auf ein Viertel reduzieren. Zudem hat der Galliumnitrid-Verstärker weitere technologische Vorteile im Hochfrequenzbereich, die sich im flexiblen Einsatz für verschiedene Mobilfunk-Frequenzen zeigen.

Das Problem: Für derart leistungsstarke und hocheffiziente Bauelemente werden große GaN-Einkristalle, mit möglichst fehlerfreier Kristallstruktur, benötigt. Doch die sind sehr selten, da sie sich mit der klassischen Kristall-Schmelzzüchtung nicht herstellen lassen. GaN muss aus der Gasphase oder aus einer gallium- oder stickstoffhaltigen Lösung gezüchtet werden. Diese Verfahren sind sehr aufwändig, langsam und die abschließende GaN-Ausbeute ist begrenzt: Es entstehen Kristalle mit einem Gewicht von nur einigen hundert Gramm. Das macht den Wunderwerkstoff noch extrem teuer. Bezogen aufs Gewicht ist ein GaN-Substrat – mit einem Durchmesser von fünf Zentimetern – fast zehnmal teurer als Gold.

Für die Beleuchtungsszene ist das alles kein Problem, denn die LEDs müssen weniger Leistung bringen, die Kristalle dürfen fehlerhaft sein. Das GaN kommt hier in Form einer hauchdünnen kristallinen Schicht, die auf einem Saphir- oder Siliziumkarbid-Substrat abgeschieden wird, zum Einsatz. Zwischen dem Substrat und der Schicht existieren allerdings große chemische und physikalische Unterschiede. Zwangsläufig ergeben sich daraus unzählige Kristallgitterdefekte in der Galliumnitridschicht. Und obwohl die Dichte der Kristallbaufehler mehr als eine Milliarde pro Quadratzentimeter beträgt, funktionieren die Leuchtdioden.

Anders sieht es für extrem helle Leuchtdioden, Laserdioden oder Bauelemente in der Leistungselektronik und im Mobilfunk aus: Dort reichen tausend Defekte pro Quadratzentimeter in der aktiven Schicht aus und schon sind die Bauteile weniger leistungsfähig und zuverlässig. Deshalb ist es notwendig, für hocheffiziente Bauelemente die aktiven Schichten auf defektarmen, einkristallinen GaN-Substraten abzuscheiden.

Was simpel klingt, ist in der Realität äußerst aufwändig und teuer. Fraunhofer-Wissenschaftlern vom THM und vom IISB arbeiten gemeinsam mit Experten der Freiberger Compound Materials GmbH an einer neuen Technologie, um den Wunderwerkstoff deutlich günstiger herzustellen. In dem Verbundprojekt, das erst im vergangenen Herbst begonnen hat, wollen die Wissenschaftler nun ein bereits bestehendes Herstellungsverfahren für GaN-Kristalle entscheidend verbessern.

Die Entwicklung von Material braucht Zeit

Bei diesem Prozess handelt es sich um das Hydride-Vapor-Phase-Epitaxy-Verfahren (HVPE), das weltweit von einer Handvoll Firmen vorangetrieben wird. Die Methode basiert auf zunächst gasförmigem Chlorwasserstoff, der sich mit flüssigem Gallium, das etwa 880 Grad Celsius heiß ist, zu gasförmigem Galliumchlorid verbindet. In einer Reaktionszone wird das Galliumchlorid bei Temperaturen zwischen 1000 und 1100 Grad Celsius in die Nähe eines Galliumnitrid-Kristallkeims gebracht. Gleichzeitig strömt Ammoniak ein, das sich mit dem Galliumchlorid zu kristallinem Galliumnitrid verbindet, nebenbei wird Chlorwasserstoff frei. Der Kristall wächst und erreicht unter optimalen Bedingungen einen Durchmesser von fünf Zentimetern und eine Dicke von bis zu einigen Millimetern. Noch ist der Aufwand groß.

»In der rund zehn Kubikmeter großen Anlage entsteht heute ein einziger Kristall«, bringt Friedrich es auf den Punkt. Aber eine Materialentwicklung brauche eben Zeit: »Für andere Kristallmaterialien, beispielsweise Siliziumkarbid, hat die Forschung von Beginn der 90er Jahre an auch mehr als zehn Jahre gebraucht, um von einem Kristall mit fingerdickem Querschnitt auf Kristalle mit 7,5 Zentimetern Durchmesser zu kommen«, erklärt der Materialforscher. »Erst dadurch war es möglich, Siliziumkarbid überhaupt zu akzeptablen Kosten zu produzieren.«

Die Fraunhofer Wissenschaftler sind zuversichtlich, das gesamte HVPE-System so zu verändern, dass GaN-Kristalle deutlich kostengünstiger hergestellt werden können. »Damit wäre eine wichtige Voraussetzung dafür geschaffen, das vielversprechende Halbleitermaterial erfolgreich zu kommerzialisieren«, sagt Friedrich. Die Wissenschaftler wollen die Materialeffizienz binnen drei Jahren deutlich steigern und dazu beitragen, dass Galliumnitrid erheblich günstiger wird als Gold.
Katja Lüers