Dieser Artikel befasst sich mit Galliumarsenid und untersucht, wie es im Vergleich zu anderen gängigen Halbleitermaterialien abschneidet, und erforscht die verschiedenen Komponenten, die die einzelnen Materialien verwenden.

Silizium hat lange Zeit seinen Platz als wichtigstes Material in der Halbleitertechnik gehalten. Doch Galliumarsenid und andere Verbindungen wie Galliumnitrid und Siliziumkarbid teilen sich jetzt die Bühne. Was also ist Galliumarsenid und wie unterscheidet es sich von anderen Verbindungen? Lassen Sie uns diese Verbindung näher betrachten und einen Blick darauf werfen, wie sie als Halbleitermaterial verwendet wird.

Was ist Galliumarsenid?

Galliumarsenid (GaAs) ist eine Verbindung, die aus den Elementen Gallium und Arsen besteht. Sie wird oft als III-V-Verbindung bezeichnet, weil Gallium und Arsen in der III- bzw. V-Gruppe des Periodensystems stehen.

Abbildung 1. Die Galliumarsenid-Verbindung. Braun steht für Gallium und lila für Arsen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Shandirai Malven Tunhuma – University of Pretoria.

Die Verwendung von Galliumarsenid ist keine neue Technologie. Tatsächlich finanziert die DARPA seit den 1970er Jahren die Forschung an dieser Technologie. Während die auf Silizium basierende Technologie „das Rückgrat der mikroelektronischen Revolution war, arbeiten GaAs-Schaltkreise mit den höheren Frequenzen und Signalverstärkungsleistungen, die eine durch handtellergroße Mobiltelefone verbundene Welt praktisch gemacht haben.“

Galliumarsenid führte in den 1980er Jahren zur Miniaturisierung von GPS-Empfängern. Dies ermöglichte die lasergesteuerte Präzisionsmunition, die in dieser Zeit in den US-Arsenalen Einzug hielt.

Bandlücken in verschiedenen Halbleitermaterialien

Ohne in die Tiefen der theoretischen Physik vorzudringen, ist die Bandlücke eines Materials der Raum zwischen den atomaren Hüllenschichten eines Materials. Je größer der Abstand ist, desto mehr Energie wird benötigt, um die Elektronen des Halbleiters auf die nächste Schale „springen“ zu lassen und den Halbleiter in einen leitenden Zustand zu versetzen. Wie wir noch sehen werden, hat dies eine Reihe wichtiger Auswirkungen.

Vergleich der Bandlücken von GaAs, Si, SiC und GaN

Durch die hohe Elektronenbeweglichkeit können Halbleiterbauteile aus GaAs bei Frequenzen von Hunderten von GHz funktionieren.

Auch wenn GaAs nicht wirklich als Material mit „großer Bandlücke“ gilt, so hat es doch eine wesentlich höhere Bandlücke als Silizium. Dies macht GaAs sehr widerstandsfähig gegen Strahlung und ist daher eine gute Wahl für Anwendungen in der Verteidigung und der Luft- und Raumfahrt. Ein weiteres Verkaufsargument ist, dass GaAs-Bauteile weitaus hitzebeständiger sind und weniger elektromagnetische Störungen abgeben.

GaAs hat eine direkte Bandlücke im Gegensatz zur indirekten Bandlücke von Silizium. Aus diesem Grund kann GaAs Licht viel effektiver emittieren als Silizium-LEDs. Damit haben GaAs-LEDs einen klaren Vorteil gegenüber denen aus Silizium.

Ein großer Vorteil von Silizium ist, dass es in der realen Welt der Massenproduktion viel einfacher zu verarbeiten ist. Silizium hat ein „natives Oxid“, Siliziumdioxid (SiO2). Dieser fertige Isolator ist ein unschätzbarer Vorteil bei der Herstellung von Siliziumbauteilen. GaAs hat kein Analogon.

Zurzeit werden Siliziumprozesse bis hinunter zur Sieben-Nanometer-Ebene entwickelt. Mit 500 Nanometern kann GaAs zur Zeit nicht tiefer gehen. GaAs ist zwar schnell, braucht aber viel Energie. Für gewöhnliche Logikschaltungen mit mittlerer und niedriger Geschwindigkeit könnte Silizium also immer noch der richtige Weg sein

Galliumnitrid und Siliziumkarbid

Wie weiter unten beschrieben, weisen Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) Bandlücken auf, die erheblich über denen von Silizium oder GaAs liegen.

Vergleich der Bandlücken

Material	Bandlücke
Silizium (Si)	1.1 Elektronenvolt (eV)
Galliumarsenid (GaAs)	1.4 Elektronenvolt (eV)
Siliziumkarbid (SiC)	3,0 Elektronenvolt (eV)
Galliumnitrid (GaN)	3.4 Elektronenvolt (eV)

Siliziumkarbid kann zum Bau von Leistungs-MOSFETs für Hochspannungs- und Hochleistungsanwendungen mit hoher Frequenz verwendet werden. Sie sind hochtemperaturbeständig und haben einen temperaturstabilen RDS-Wert (on). RDS ist der Widerstand zwischen Drain und Source, ein äußerst kritischer Parameter in jeder Leistungsanwendung.

Abbildung 2. Siliziumkarbid. Bild (modifiziert) mit freundlicher Genehmigung der Universität Münster.

Galliumnitrid hat eine noch höhere Bandlücke als Siliziumkarbid und auch eine höhere Elektronenbeweglichkeit. Die inhärent niedrigeren Ausgangs- und Gate-Kapazitäten der Technologie ermöglichen zudem einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb. GaN-Bauelementen fehlt die Body-Diode, die in Silizium-Bauelementen enthalten ist. Dadurch werden Rückgewinnungsverluste eliminiert, die Betriebseffizienz erhöht und EMI reduziert.

Abbildung 3. Galliumnitrid. Bild mit freundlicher Genehmigung der Universität Bristol.

Siliziumkarbid kann zum Bau von Leistungs-MOSFETs für Hochspannungs- und Hochleistungsanwendungen mit hoher Frequenz verwendet werden. Sie können hohe Temperaturen vertragen und weisen temperaturstabile RDS-Werte (on) auf. RDS ist der Widerstand zwischen Drain und Source, ein äußerst kritischer Parameter in jeder Leistungsanwendung.

Galliumnitrid hat eine noch größere Bandlücke als Siliziumkarbid und auch eine höhere Elektronenbeweglichkeit. Die inhärent niedrigeren Ausgangs- und Gate-Kapazitäten dieser Technologie ermöglichen zudem einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb. GaN-Bauelemente haben keine Body-Diode, wie sie in Silizium-Bauelementen vorkommt. Dadurch werden Rückgewinnungsverluste eliminiert, die Betriebseffizienz erhöht und EMI reduziert.

Das LMG3410R050 GaN-Bauelement von Texas Instruments

TIs Ansatz besteht darin, neben einem 600-V-GaN-Transistor eine Gate-Treiberschaltung zu integrieren. Zu den inhärenten Vorteilen des LMG341xR050 (PDF) gegenüber Silizium-MOSFETs gehören extrem niedrige Eingangs- und Ausgangskapazitäten für Hochgeschwindigkeitsbetrieb. Ein weiterer Vorteil ist die Verringerung der Schaltverluste durch die Null-Rücklaufzeit.

Abbildung 4. Das LMG3410R050. Bild mit freundlicher Genehmigung von Texas Instruments.

GaN-Bauelemente wie der LMG3410R050 haben keine Rückstromverluste, da es im Gegensatz zu Silizium-MOSFETS keinen PN-Übergang zwischen Source und Drain gibt.

Der integrierte Gate-Treiber ist speziell auf das GaN-Bauelement abgestimmt und ermöglicht eine schnelle Ansteuerung ohne Klingeln am Gate. Er spart Zeit, Platz und BOM-Kosten für OEMs und schützt vor Fehlern durch Überstrom- und Übertemperaturschutz.

Cree’s milliardenschweres Engagement für SiC-MOSFETS

In der Welt der Halbleiter mit hoher Bandlücke ist SiC ein weiterer starker Konkurrent, wie das Engagement von Cree für diese Technologie beweist.

Cree bietet viele SiC-MOSFETs an, darunter den C2M0045170D. Dieser Baustein ist für 1700 V und 72 A ausgelegt. Die maximale Sperrschichttemperatur beträgt 150°C. Wichtig ist, dass er einen RDS (on) von nur 45 Milliohm aufweist.

Der CAB450M12XM3 (PDF) des Unternehmens ist ein 1200V, 450A Siliziumkarbid-Halbbrückenmodul.

Abbildung 5. Das CAB450M12XM3. Bild mit freundlicher Genehmigung von Cree-Wolfspeed (PDF).

Kontinuierlicher Sperrschichtbetrieb bei 175°C ist möglich. Dieser Hochleistungsbaustein wurde entwickelt für:

• Motor- und Traktionsantriebe
• Schnellladegeräte für Fahrzeuge
• Unterbrechungsfreie Stromversorgungen

Galliumarsenid-LEDs

Diese Bausteine werden üblicherweise in Form von Wafern angeboten, aber Vishay bietet die TSUS4300 (PDF) an, eine diskrete GaAs-LED, die bei 950 Nanometern strahlt. Eine ihrer Spezifikationen besagt, dass sie „eine gute spektrale Übereinstimmung mit Si-Photodetektoren“ bietet, was den zentralen Punkt unseres nächsten Abschnitts vorwegnimmt.

Ist Galliumarsenid eine bessere Wahl als Silizium?

Wir haben einige allgemeine Eigenschaften und allgemeine Merkmale erörtert, aber Designer müssen die besonderen Anforderungen spezifischer Designs sorgfältig analysieren und ihre Materialwahl nicht auf der Grundlage vorgefasster Meinungen treffen. Manchmal ist die Antwort nicht das, was man ursprünglich erwartet hat.

In einem Artikel von Theresa Corrigan von Analog Device werden n-Kanal-CMOSFETs mit GaAs-Bauteilen verglichen, wenn sie als elektronische Breitbandschalter (900 MHz und höher) eingesetzt werden.

Die Vorteile von GaAs

• Niedriger Einschaltwiderstand
• Niedrige Ausschaltkapazität
• Hohe Linearität bei hohen Frequenzen