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Wide-Bandgap-Leistungshalbleiter

So viel günstiger ist Galliumoxid als Siliziumkarbid

25. Februar 2019, 11:15 Uhr | Ralf Higgelke

So setzen sich die Kosten für einen Galliumoxid-Wafer zusammen. Aber mit 283 US-Dollar ist er immer noch mehr als dreimal so günstig wie eine SiC-Wafer.

Eine Kostenanalyse des National Renewable Energy Laboratory (NREL) belegt, welches Potenzial der Einsatz von Galliumoxid in der Leistungselektronik haben könnte. Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass Galliumoxid-Wafer drei- bis fünfmal günstiger in der Herstellung sein könnten als Siliziumkarbid.

Sowohl Galliumoxid (Ga₂O₃) als auch Siliziumkarbid (SiC) gelten als Ersatz für Silizium in Leistungselektronikbauteilen. Siliziumkarbid ist bereits im Einsatz, aber seine relativ hohen Kosten erschweren die allgemeine Verbreitung. Halbleiter aus Galliumoxid werden derzeit nicht kommerziell eingesetzt, aber mehrere Unternehmen arbeiten an Prototypen.

Zwar gibt es bereits Veröffentlichungen, die darauf hinweisen, dass die niedrigen Kosten von Galliumoxid zukünftig ein Vorteil sein könnten, aber eine Analyse des National Renewable Energy Laboratory (NREL) liefert nun erstmals Zahlen. Das Paper »How much Will Gallium Oxide Power Electronics Cost?« soll in der April-Ausgabe der Zeitschrift Joule erscheinen, ist aber bereits online verfügbar.

Für die Analyse nutzen die Forscher ein Bottom-up-Kostenmodell, das im Zusammenhang mit dem Herstellungsprozess erstellt wurde und Faktoren wie Kristallzüchtung und Bearbeitung des Rohlings (Ingot) berücksichtigt. Dadurch wollten sie die Kosten für die Wafer-Herstellung annähern. Die im Modell verwendeten Annahmen umfassten einen Rohling von 1 Meter Länge, einen Wafer von 150 mm Durchmesser (6 Zoll) und ein Fertigungsvolumen von 5.000 Wafern pro Monat.

Die NREL-Analyse ergab, dass es 283 US-Dollar kosten würde, einen solchen Galliumoxid-Wafer in den USA herzustellen. Das ist weniger als ein Drittel der 919 US-Dollar für die Herstellung eines Siliziumkarbid-Wafers. Durch die deutlich niedrigeren Waferkosten ist die Leistungselektronik auf Basis von Galliumoxid wahrscheinlich doppelt so günstig, denn es kommen noch die Kosten für die anderen Bestandteile und das Packaging hinzu.

Die technisch-wirtschaftliche Modellierung basiert auf Produktionsszenarien, die derzeit nicht kommerziell umgesetzt werden, wie das Papier feststellte. Allerdings ist davon auszugehen, dass sie eintreten werden, sobald durch die Fortschritte in Forschung und Entwicklung Galliumoxid in Mainstream-Anwendungen umgesetzt wird.

Auch besteht das Potenzial, die Kosten für Galliumoxid-Wafer noch weiter zu senken. Mehr als die Hälfte der Kosten stammt nämlich von dem Tiegel, und aus Iridium besteht und in dem der Kristall-Block gezüchtet wird. Mit einem anderen Werkstoff, etwa Molybdän oder Wolfram, könnte der Preis für Galliumoxid-Halbleiter weiter sinken.

Im Vergleich zu Galliumnitrid besteht auch ein Vorteil, glauben die Forscher. »Der größte Unterschied ist, dass die Kristallwafer aus Galliumoxid leichter skalierbar und kostengünstiger sein sollten als aus Galliumnitrid«, meinte der Materialwissenschaftler Andriy Zakutayev, einer der Mitautoren.

Originalpublikation

Samantha B. Reese, Timothy Remo, Johney Green, and Andriy Zakutayev, How Much Will Gallium Oxide Power Electronics Cost?, Joule, April 2019