OXIKON2: Neue Maßstäbe für energieeffiziente Leistungselektronik
DFG-gefördertes Forschungsprojekt zur Entwicklung von Hochleistungstransistoren auf Basis des Halbleitermaterials Beta-Galliumoxid gestartet
Kürzlich startete am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) ein von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördertes Forschungsprojekt zur Entwicklung einer neuen Generation von Hochleistungstransistoren auf Basis des Halbleitermaterials β-Ga₂O₃ (Beta-Galliumoxid). Gemeinsam mit dem Ferdinand-Braun-Institut und der Technischen Universität Berlin wird erstmals untersucht, welche Kristallorientierung von β-Ga₂O₃ das größte Potenzial für zukünftige Hochvolt- und Leistungselektronik besitzt. Projektverantwortlich sind Dr. Zbigniew Galazka (Volumenkristallzüchtung) und Dr. Andreas Popp (Epitaxie).
β-Ga₂O₃ gilt weltweit als eines der vielversprechendsten Materialien für zukünftige energieeffiziente Leistungselektronik. Mit einer ultrabreiten Bandlücke von etwa 4,8 eV ermöglicht das Material theoretische Durchbruchfeldstärken von bis zu 8 MV/cm und könnte damit etablierte Technologien auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) deutlich übertreffen. Besonders attraktiv ist zudem die Möglichkeit, großvolumige Einkristalle vergleichsweise kostengünstig aus der Schmelze herzustellen. In der Wissenschaft hat sich jedoch bislang kein klarer Konsens über die optimale Oberflächenausrichtung für laterale Leistungsbauelemente gebildet. Dies liegt vor allem daran, dass bislang keine direkten Vergleichsstudien zu Bauelementen basierend auf unterschiedlichen Kristallorientierungen vorliegen.
Ziel des Projekts ist es daher, die bislang offene Frage nach der optimalen Kristallorientierung für leistungsfähige β-Ga₂O₃-Transistoren zu beantworten. Im Fokus stehen dabei die beiden technologisch relevantesten Oberflächenorientierungen (100) und (010). Beide weisen aufgrund der anisotropen Kristallstruktur von β-Ga₂O₃ unterschiedliche elektrische, thermische und strukturelle Eigenschaften auf, die maßgeblich die Qualität epitaktischer Schichten sowie die spätere Bauelementperformance beeinflussen.
Das IKZ bringt in das Vorhaben seine international anerkannte Expertise in der Züchtung von β-Ga₂O₃-Einkristallen sowie der homoepitaktischen MOVPE-Abscheidung hochqualitativer Dünnschichten ein. Bereits heute konnten am IKZ auf (100)-orientierten Substraten Elektronenmobilitäten von über 160 cm²/(Vs) bei gleichzeitig sehr niedrigen Dotierkonzentrationen erzielt werden – Werte, die weltweit zur Spitzengruppe zählen. Darüber hinaus arbeitet das Institut an der Skalierung größerer Waferformate bis hin zu 2-Zoll-Substraten.
Das Ferdinand-Braun-Institut entwickelt auf Basis der am IKZ hergestellten Epitaxiestrukturen leistungsfähige laterale Hochvolt-Transistoren. Bereits in früheren Arbeiten konnten Durchbruchspannungen bis 1,8 kV sowie Rekordleistungsdichten von 155 MW/cm² demonstriert werden. Im neuen Projekt sollen nun Bauelemente mit Sperrspannungen von 1500 V und Pulsströmen bis 20 A realisiert werden, um erstmals β-Ga₂O₃ basierte Hochleistungstransistoren zu demonstrieren. Gleichzeitig sollen neuartige Konzepte zur Unterdrückung von Leckströmen und zur Verbesserung der Grenzflächenqualität entwickelt werden, um die Bauelemente näher an die theoretischen Materialgrenzen heranzuführen.
Die Technische Universität Berlin ergänzt das Projekt durch umfassende Expertise in der dynamischen Charakterisierung von Leistungstransistoren unter realistischen Schaltbedingungen. Hierbei werden insbesondere Schaltverluste, Zuverlässigkeit sowie thermische Stabilität analysiert. Langfristig soll daraus ein Demonstrator für zukünftige energieeffiziente Leistungselektronik entstehen.
Damit umfasst das Projekt die gesamte Entwicklungskette – von der Kristallzüchtung über Wafer- und Epitaxieprozesse bis hin zur Bauelementfertigung und Systemintegration. Die Forschenden erwarten grundlegende Erkenntnisse darüber, wie sich Materialeigenschaften, Kristallorientierung und Grenzflächen auf die Leistungsfähigkeit zukünftiger Galliumoxid-Hochleistungstransistoren auswirken. Damit könnte β-Ga₂O₃ einen entscheidenden Beitrag zu kompakteren, effizienteren und leistungsstärkerenStromwandlungssystemen der nächsten Generation leisten.
Kontakt:
Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ)
www.ikz-berlin.de
Dr. Andreas Popp
Abteilung Nanostrukturen & Schichten
+49 30 246499-312
andreas.popp(at)ikz-berlin.de
Dr. Zbigniew Galazka
Abteilung Volumenkristalle
+49 30 246499-416
zbigniew.galazka(at)ikz-berlin.de
IKZ-Pressemitteilung vom 13.05.2026