UV-LED mit dem Wide-Bandgap-Material InGaN

Halbleiter mit breitem Bandabstand[1] (englisch wide-bandgap semiconductors, davon abgeleitet Wide-Bandgap-Halbleiter aber breitbandige Halbleiter[2]) sind Halbleiter, deren Bandabstand/Bandlücke (Energieabstand zwischen Valenzband und Leitungsband) am oberen Ende des Bereichs der Halbleiter (3 eV bis über 4 eV) liegt.

Eigenschaften und Anwendungen

Die Eigenschaften von Halbleitermaterialien werden überwiegend bestimmt durch den energetischen Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband. Elektrische Leiter haben keine Bandlücke, während die Bandlücke bei Nichtleitern größer als 4 eV ist.[3] Bei den bisher meist verwendeten Halbleitern liegt die Bandlücke im unteren Bereich, bei Raumtemperatur z. B. für Germanium (Ge) bei 0,67 eV, für Silicium (Si) bei 1,12 eV und für Galliumarsenid (GaAs) bei 1,42 eV. Bei Wide-Bandgap-Halbleitern ist die Bandlücke größer als 3 eV.[4]

Wegen der hervorragenden Eigenschaften von Silicium in der Produktion von Halbleiterschaltungen und deren Anwendungen basieren die meisten elektronischen Schaltungen auf Silicium als Halbleitermaterial. Bei besonderen Anforderungen wie z. B. für rauscharme Verstärker und Hochfrequenzverstärkern in Mobiltelefonen und der Satellitenkommunikation wird häufig der Verbindungshalbleiter GaAs eingesetzt.[2] In Hochfrequenzleistungsverstärkern der Mobilfunknetz-Infrastruktur werden zunehmend GaN-Bauteile verwendet.[5]

Die Verwendung von Wide-Bandgap-Materialien bietet weitere Vorteile:[6]

  • Geringere Verluste bei Schaltreglern[7]
  • Verarbeitung höherer Spannungen
  • Betrieb bei höheren (Umgebungs-)Temperaturen
  • Verarbeitung höherer Frequenzen
  • Größere Zuverlässigkeit

Neben diesen schaltungstechnischen Eigenschaften ermöglicht die hohe Bandlücke die effektive Emission kurzwelligeren (sichtbaren) Lichts und so beispielsweise Leuchtdioden (LEDs) mit den Farben Blau oder Ultraviolett.

Der weiteren Verbreitung der Materialien stehen einige Nachteile entgegen: Neben der Herstellbarkeit im industriellen Maßstab bei vertretbaren Herstellungskosten müssen Entwicklungswerkzeuge die Materialeigenschaften unterstützen und neue Gehäusetechnologien die Verwendung bei möglichen höheren Betriebstemperaturen erlauben.[6] Anders als bei der Silizium-Technologie müssen die Wide-Bandgap-Halbleiter für Leistungsbauelemente meist auf Substrate aus anderen (leichter herzustellenden) Materialien aufgebracht werden: GaN auf Saphir oder SiC, SiC und Diamant auf Silizium.[8]

Vertreter

Wide-Bandgap-Halbleiter (Beispiele)
Material Bandlücke in eV
(bei 300 K)
SiC 3,03
III-V-Verbindungshalbleiter
GaN 3,37
InGaN 0,7–3,37
BN 5,8
AlN 6,2
II-VI-Verbindungshalbleiter
ZnO 3,37
Element
C (als Diamant) 5,46–5,6

Bandlücken im entsprechenden Energiebereich finden sich z. B. beim elementaren Kohlenstoff in der Modifikation als Diamant.[9] Eine mögliche Kombination von Elementen der Gruppe IV des Periodensystems ist Siliciumcarbid. Aus dem Bereich der Verbindungshalbleiter gibt es verschiedene geeignete Kombinationen wie Galliumnitrid (III-V) und Zinkoxid (II-VI). Auch entsprechende Verbindungshalbleiter mit mehr als zwei Elementen wie z. B. Indiumgalliumnitrid (InGaN) kommen als Material in Frage. Hierbei kann sogar die Bandlücke durch das Verhältnis von Indiumnitrid zu Galliumnitrid eingestellt werden.

Markt

Laut der taiwanischen Elektronik-Tageszeitung DigiTimes war der Markt für Silizium-basierte Leistungshalbleiter im Jahr 2016 größer als 24 Mrd. US-Dollar. Im selben Jahr wurden mit SiC und GaN nur 200 Mio.US-Dollar bzw. 14 Mio. US-Dollar umgesetzt, wobei aber für die Zukunft höhere Wachstumsraten für die Verbindungshalbleiter erwartet werden. SiC wird Silizium vornehmlich in Hochleistungsanwendungen ersetzen und GaN in mittleren Leistungsbereichen.[10]

Einzelnachweise

  1. Werner Bindmann: German Dictionary of Microelectronics. Psychology Press, 1999, ISBN 0-415-17340-X, S. 478 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  2. a b Dimitris Pavlidis: Wide- and Narrow-Bandgap Semiconductor Materials. (PDF) In: Thema Forschung. TU-Darmstadt, Februar 2006, S. 38–41, abgerufen am 5. Juni 2015 (englisch, dt).
  3. A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 101. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9, S. 1313.
  4. Shyh-Chiang Shen: Wide-bandgap device research and development at SRL. Georgia Institute of Technology Semiconductor Research Laboratory, abgerufen am 5. Juni 2015 (englisch).
  5. Diana Goovaerts: GaN Gaining Ground in Mobile Wireless Infrastructure Market. Wireless Week, 27. März 2017, abgerufen am 1. April 2017 (englisch).
  6. a b Wide Bandgap Semiconductors: Pursuing the Promise. (PDF) (Nicht mehr online verfügbar.) United States Department of Energy, April 2013, archiviert vom Original am 22. Februar 2016; abgerufen am 5. Juni 2015 (englisch).
  7. SiC Einsatz in automobilen Antriebsumrichtern. (PDF) Uni Bayreuth, abgerufen am 1. März 2017.
  8. Adam Khan: Not-So Quiet Race in Wide Band Gap Semiconductor. EE Times, 30. Juni 2016, abgerufen am 4. Juli 2016.
  9. Chris J.H.Wort, Richard S.Balmer: Diamond as an electronic material. In: ScienceDirect, Volume 11, Issues 1–2, January–February 2008. Elsevier, 7. Januar 2008, S. 22–28, abgerufen am 13. August 2017 (englisch).
  10. Ricky Tu: Digitimes Research: SiC, GaN power semiconductor markets to grow fast through 2025. DigiTimes, 30. November 2017, abgerufen am 30. November 2017 (englisch).