Über SiC hinaus? Im Leistungshalbleitermarkt taucht ein Überraschungskandidat auf.

Im Evolutionsspektrum der Leistungshalbleitermaterialien hat Silizium (Si) seine Grenzen erreicht, Siliziumcarbid (SiC) ist gerade in Mode, und Galliumnitrid (GaN) erobert Territorien im Bereich hoher Frequenzen und geringer Lasten. Dennoch ist der Streben der Branche nach besseren Materialien unendlich.

Anfang November kündigte das japanische Patentix Inc. an, dass es erstmals weltweit einen massiven Kristall aus Rutil-Germaniumdioxid (r-GeO₂) mit einer Größe von 5 Millimetern mithilfe der FZ-Methode gezüchtet habe. Dieser kleine Kristall hat eine Bandlücke von 4,68 eV – weit über Siliziumcarbid (3,3 eV) und Galliumnitrid (3,4 eV) – und theoretisch können sowohl p-Typ- als auch n-Typ-Dotierungen erreicht werden.

Durch diesen Durchbruch rücken die Ultra-Breitbandlücken (UWBG)-Oxidmaterialsysteme wieder in den Vordergrund. Mit der Verbreitung von Elektromobilität (EV), dem steigenden Energieverbrauch von AI-Datenzentren, der zunehmenden Nachhaltigkeits- und Energieeffizienzpolitik sowie der Tendenz zur Miniaturisierung von Leistungshalbleitermodulen im Automobilbereich wird die kommerzielle Nutzung von UWBG-Halbleitern in hohem Maße erwartet. Oxide wie GeO₂ und Ga₂O₃ gelten als wichtige Kandidaten für die nächste Generation von Leistungshalbleiterbauelementen mit höherer Spannungsfestigkeit, höherer Leistung und höherer Effizienz.

Germaniumdioxid: Ein neues Stürmerpferd im UWBG-Sektor?

Im Bereich der Ultra-Breitbandlücken (UWBG)-Halbleiter tritt neben dem bekannten Galliumoxid (Ga₂O₃) Germaniumdioxid (GeO₂) schnell in Erscheinung und wird zum Konkurrenten für die nächste Generation von Leistungshalbleitern.

Germaniumdioxid hat hauptsächlich drei Vorteile als Leistungshalbleitermaterial: Erstens ist es ein Ultra-Breitbandlückenhalbleiter mit hohem Potenzial für Hochleistungsanwendungen. Zweitens ist es geeignet für p-Typ- und n-Typ-Dotierungen in herkömmlichen GeO₂-MOSFETs. Drittens sind massive Kristalle und Epitaxieschichten kostengünstig herstellbar.

Positionierung von Germaniumdioxid (Quelle: Patentix)

Germaniumdioxid (GeO₂) hat fünf Kristallstrukturen: Rutil, α-Quarz, CaCl₂-Typ, α-PbO₂-Typ und Pyrit-Typ. Das japanische Unternehmen Patentix hat bisher einen Durchbruch mit Rutil-GeO₂ (r-GeO₂) erzielt. r-GeO₂ hat eine Bandlücke von 4,6 eV und theoretisch wird von ihm sowohl n-Typ- als auch p-Typ-Leitfähigkeit ausgegangen. Daher ist es für die nächste Generation von Hochleistungs-MOSFETs mit normalerweise ausgeschaltetem Zustand und andere Anwendungen geeignet.

Patentix Inc. ist ein Start-up aus der Ritsumeikan Universität, das sich auf die Forschung, Entwicklung, Herstellung und Vertrieb von Ultra-Breitbandlücken (UWBG)-Halbleitermaterialien – Germaniumdioxid (GeO₂) – konzentriert. Seit seiner Gründung im Dezember 2022 hat das Unternehmen insgesamt 1,059 Milliarden Yen an Kapital beschafft.

Um das Potenzial von r-GeO₂ voll auszuschöpfen, ist die Herstellung von massiven Substraten mit minimalen Kristalldefekten erforderlich. Bisher hat das Unternehmen massive Kristalle mit der Flux-Methode synthetisiert, die eine maximale Größe von etwa 15x2,5x5 mm hatten. Um Leistungshalbleiterbauelemente mit r-GeO₂ herzustellen, sind massiver Kristalle höherer Qualität und größerer Größe erforderlich.

Patentix hat nun erstmals weltweit einen r-GeO₂-Kristall mit der FZ-Methode gezüchtet, indem es einen massiven r-GeO₂-Kristall, der mit der herkömmlichen Flux-Methode synthetisiert wurde, als Saatkristall verwendet hat. Wie in Abbildung 1 gezeigt, ist der schwarze Teil links im Kristall der Bereich, der mit der FZ-Methode gezüchtet wurde, und hat eine Größe von etwa 5 mm. Obwohl der Kristall aufgrund von Dotierungsstoffen schwarz erscheint, sind auf der Seite deutliche Kristallflächen sichtbar, was auf eine hohe Kristallqualität hinweist.

Abbildung 1: Foto eines massiven r-GeO₂-Kristalls, der mit der FZ-Methode gezüchtet wurde. Der schwarze Teil links ist der Kristall, der mit der FZ-Methode gezüchtet wurde, und der weiße Teil rechts ist der Saatkristall, der mit der Flux-Methode synthetisiert wurde. (Quelle: Patentix)

Durch Röntgenbeugung (XRD) der Seitenflächen wurde bestätigt, dass sie der (110)-Kristallfläche von r-GeO₂ entsprechen (siehe Abbildung 2). Nach weiterer Untersuchung der gemahlenen Kristallpulver mit XRD wurden die Kristallspitzen von r-GeO₂ beobachtet, aber auch Beugungsspitzen von trigonalem GeO₂ detektiert, was darauf hinweist, dass der gezüchtete Kristall noch andere Phasen als die Rutilphase enthält (siehe Abbildung 3).

Abbildung 2: Röntgen-2θ/θ-Beugungsmuster der Seitenflächen des Kristalls. (Quelle: Patentix)

Abbildung 3: Röntgen-2θ/θ-Beugungsmuster des gemahlenen Kristallpulvers. (Quelle: Patentix)

Das nächste Ziel des Unternehmens ist die Herstellung von halb-zolligen massiven r-GeO₂-Substraten. Langfristig plant es, in Kombination mit halb-zolligen massiven r-GeO₂-Substraten und dem Minimal Fab-System Ultra-Hochleistungs-Leistungshalbleiterbauelemente zu entwickeln, die mit herkömmlichen Halbleitermaterialien nicht möglich sind.

Außer Rutil-GeO₂ hat das trigonale α-Quarz-GeO₂ eine sehr große Bandlücke von 6,2 eV und zeigt Piezoelektrizität. Daher ist es als HEMT-Element für die nächste Generation von Schottky-Barriere-Dioden sowie für die zukünftige 7G-Kommunikation mit hoher Kapazität und hoher Geschwindigkeit geeignet.

Galliumoxid: Japan hat tiefgreifende technologische Erfahrungen

Schauen wir uns nun das seit einigen Jahren von der Branche gefeierte Galliumoxid (Ga₂O₃) an, das als das vielversprechendste Material für Hochspannungs-Leistungshalbleiterbauelemente nach SiC und GaN gilt. Es ist eine anorganische Verbindung, deren Leistung weit über Galliumnitrid hinausgeht. Bislang sind sechs Kristallphasen bekannt, darunter fünf stabile Phasen wie α, β, γ und eine transiente Phase κ-Ga₂O₃. Die β-Phase (β-Ga₂O₃) ist die thermodynamisch stabilste und am besten untersuchte Kristallstruktur, und sie ist derzeit die Hauptrolle in der Industrialisierung.

Die Forschung an β-Ga₂O₃ geht auf die Zusammenarbeit zwischen dem National Institute for Materials Science (NIMS) in Tsukuba, Japan, und dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung in Berlin, Deutschland, zurück. Dieses Material hat einen Schmelzpunkt von 1.793 °C, und alle anderen Phasen wandeln sich bei hohen Temperaturen in die β-Phase um. Daher kann nur durch Schmelzverfahren ein Einkristall hergestellt werden. Dank der ausgezeichneten thermischen Stabilität kann β-Ga₂O₃ mit der Czochralski-Methode, die ähnlich wie bei Siliziumwafern angewendet wird, in großem Maßstab hergestellt werden, oder auch durch die Edge-Defined Film-Fed Growth (EFG)-Methode und die vertikale Bridgman-Stockbarger-Methode gezüchtet werden, was es zu einem Material mit hohem industriellem Potenzial macht.

Dies steht im Gegensatz zu anderen Breitbandlückenhalbleitern. Mit Ausnahme von Siliziumcarbid (SiC) fehlt den meisten neuen Breitbandlückenhalbleitern ein homogener Substratmaterial, und sie müssen auf heterogenen Materialien (Silizium, Siliziumcarbid, Saphir) epitaktisch gewachsen werden, was zu Gitterfehlanpassungen und vielen Defekten führt und die Leistung der Bauelemente beeinträchtigt. Ga₂O₃ kann dagegen selbsttragend gewachsen werden, ohne Gitterfehlanpassungsprobleme.

Was die physikalischen Eigenschaften betrifft, hat β-Ga₂O₃ eine Bandlücke von etwa 4,8 eV und eine Durchbruchfeldstärke von 8 MV/cm, weit über Si (1,1 eV, 0,3 MV/cm), SiC (3,3 eV, 2,5 MV/cm) und GaN (3,4 eV, 3,3 MV/cm). Der Baliga-Faktor (BFOM) ist etwa 10-mal höher als bei SiC und 4-mal höher als bei GaN, was eine niedrigere Durchlasswiderstand und höhere Energieeffizienz ermöglicht. Mit einer schmalen Absorptionskante (260 nm) hat die Ladungsträgerkonzentration nur einen geringen Einfluss auf die UV-Transmission, was es in deep-UV-Optikbauelementen (DUV) zu einem einzigartigen Material macht. Es hat auch ausgezeichnete thermische und chemische Stabilität. Aufgrund dieser Eigenschaften gilt β-Ga₂O₃ als idealer Kandidat für zukünftige Hochspannungs-Leistungshalbleiterbauelemente und DUV-Optikanwendungen.

Natürlich ist es nicht perfekt. Der Hauptnachteil von β-Ga₂O₃ ist seine niedrige Wärmeleitfähigkeit – etwa ein Zehntel von SiC – was dazu führt, dass sich Wärme im Bauelement sammelt. Die Lösung des Wärmeabfuhrproblems ist daher der Schlüssel für die zukünftige Industrialisierung.

Abbildung 4: Physikalische Eigenschaften von β-Ga₂O₃ und Leistungstransistor-Referenzdiagramm (Quelle: Gallium Semiconductor)

Was noch bemerkenswerter ist, kann Galliumoxid während des Epitaxie- oder Ionenimplantationsprozesses dotiert werden und ist kompatibel mit der Standard-Lithografie- und Halbleiterfertigungstechnologie. Dies bedeutet, dass es die bestehende Waferfertigungstechnologie wiederverwenden kann und es einfach ist, Bauelemente im Nanometerbereich zu definieren. Die meisten Breitbandlückenmaterialien haben diesen Vorteil nicht, und selbst GaN hat ihn nicht vollständig.

Japan hat tiefgreifende Erfahrungen in der Forschung an Galliumoxid. Bereits 2012 veröffentlichte Professor Masataka Higashiwaki vom National Institute of Information and Communications Technology (NICT) in Tokio den ersten monokristallinen β-Ga₂O₃-Transistor (Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor, MESFET) weltweit, dessen Durchbruchspannung über 250 V lag – es dauerte fast zwanzig Jahre, bis GaN diesen Wert erreichte. Diese Forschung hat erstmals das enorme Potenzial von β-Ga₂O₃ in Hochspannungs-Leistungsschaltern bestätigt.

Der Nachfolger für die Industrialisierung dieses Erfolgs ist die 2015 gegründete Novel Crystal Technology (NCT).

Die NCT widmet sich der Forschung und Entwicklung von Galliumoxidmaterialien und -bauelementen und setzt kontinuierlich neue Weltrekorde in Bezug auf die Leistung.

Im April 2025 kündigte die NCT an, dass es erfolgreich einen vertikalen Galliumoxid-MOS-Transistor (β-Ga₂O₃ MOSFET) entwickelt habe, dessen Leistungskennzahl (PFOM) 1,23 GW/cm² erreichte, was den bisherigen Weltrekord für β-Ga₂O₃-Feldeffekttransistoren setzt. Dieser Wert ist 3,2-mal höher als der bisherige Höchstwert, der von anderen Forschungsinstituten veröffentlicht wurde. Dieses Ergebnis wird voraussichtlich die Entwicklung von β-Ga₂O₃-Transistoren für mittlere und hohe Spannungen von 0,6 bis 10 kV stark vorantreiben. Die NCT plant, das Endstruktur des Bauelements mit p-Typ-Hetero-Halbleitermaterialien wie NiO zu verbessern, um die elektrische Feldkonzentration am Elektrodenende zu verringern. Das Ziel des Forschungsteams ist es, das Potenzial der hohen Durchbruchfeldstärke (6–8 MV/cm) von β-Ga₂O₃ voll auszuschöpfen und eine neue Generation von Hochspannungs-Leistungstransistoren mit besserer Leistung als SiC zu entwickeln.

Abbildung: Schematische Darstellung der Struktur eines β-Ga₂O₃ MOSFETs (a) Querschnitt (b) Draufsicht (Quelle: NCT)

Am 1. August 2025 kündigte die NCT an, dass sie eine strategische Partnerschaft mit der US-amerikanischen Firma Kyma Technologies eingegangen sei, die in der Epitaxietechnologie (insbesondere in der HVPE-Technik) tiefgreifende Erfahrungen hat. Gemeinsam werden sie die Herstellungstechnologie für 150-mm (6-Zoll)-Galliumoxid-Epitaxiewafer entwickeln, die für die Forschung und Herstellung von Mehr-Kilovolt-Leistungshalbleiterbauelementen verwendet werden sollen.

Dank seiner über zehn Jahre andauernden Forschungsarbeit und technologischen Expert