Galliumnitrid, kurz GaN, hat zweimal die Elektronik verändert: Zuerst machte es in den 1990er-Jahren die helle blaue LED und damit die weiße LED-Beleuchtung möglich, dann eroberte es die Leistungselektronik – jedes handliche 65-W-Ladegerät mit „GaN“-Aufdruck nutzt es. Der Grund für beides ist derselbe: ein besonders großer Bandabstand.
Was Galliumnitrid ist
GaN ist ein Verbindungshalbleiter aus Gallium (Hauptgruppe 13, drei Valenzelektronen) und Stickstoff (Hauptgruppe 15, fünf Valenzelektronen). Im Mittel teilen sich die Atome wie beim Silizium vier Elektronen pro Atom, deshalb entsteht ebenfalls ein Kristall mit Atombindungen – wegen des großen Unterschieds in der Elektronegativität allerdings mit deutlich ionischem Anteil. GaN kristallisiert in der hexagonalen Wurtzitstruktur, ist sehr hart, chemisch und thermisch äußerst stabil.
Sein Bandabstand beträgt 3,4 eV – dreimal so viel wie bei Silizium. Man zählt es deshalb zu den Wide-Bandgap-Halbleitern, zusammen mit Siliziumkarbid (SiC).
Großer Bandabstand – was folgt daraus?
Wie stark die Elektronen gebunden sind, bestimmt fast alle Eigenschaften eines Halbleiters:
- Hohe Durchbruchfeldstärke: GaN hält etwa 3,3 MV/cm aus, Silizium nur rund 0,3 MV/cm. Eine sperrende Schicht kann also bei gleicher Spannung etwa zehnmal dünner sein.
- Kurzwelliges Licht: Fällt ein Elektron über den Bandabstand zurück, entsteht ein Photon mit genau dieser Energie. 3,4 eV entsprechen etwa 365 nm (UV). Mischt man Indium bei (InGaN), sinkt der Bandabstand, und die LED leuchtet blau oder grün – siehe Optoelektronik.
- Hohe Temperaturen und Strahlung: Weil Wärme kaum Elektronen über die Lücke heben kann, bleibt GaN auch heiß beherrschbar – vergleiche Temperaturverhalten von Halbleitern.
Der GaN-HEMT
Leistungstransistoren aus GaN sind meist HEMTs (High Electron Mobility Transistor). Auf eine GaN-Schicht wird eine nur rund 20 nm dünne Schicht Aluminium-Galliumnitrid (AlGaN) gesetzt. An der Grenzfläche entsteht durch die elektrische Polarisation des Kristalls von selbst eine hauchdünne, sehr gut leitende Elektronenschicht – das zweidimensionale Elektronengas (2DEG). Dort bewegen sich die Elektronen ohne störende Dotieratome und damit besonders schnell.
Daraus ergeben sich die typischen Eigenschaften:
- Selbstleitend von Natur aus: Ohne Gegenmaßnahme leitet der Kanal schon bei 0 V am Gate. Für Netzteile werden selbstsperrende Typen gebaut, meist mit einer p-dotierten GaN-Schicht unter dem Gate.
- Sehr kleine Kapazitäten: GaN-Transistoren schalten in wenigen Nanosekunden. Netzteile können mit Hunderten Kilohertz bis in den Megahertzbereich arbeiten; Spulen und Übertrager werden entsprechend kleiner.
- Keine Body-Diode: Anders als ein Silizium-MOSFET hat ein HEMT keine eingebaute pn-Diode, leitet aber trotzdem rückwärts über den Kanal – ohne die Sperrverzögerungsladung, die bei Silizium Verluste verursacht.
Herstellung: Chemie aus der Gasphase
GaN-Schichten werden fast immer durch metallorganische Gasphasenepitaxie (MOCVD) gewachsen. Trimethylgallium und Ammoniak reagieren bei rund 1000 °C auf einem heißen Substrat:
Große GaN-Einkristalle lassen sich nur schwer und teuer herstellen. Man wächst die Schichten deshalb auf fremden Substraten: Saphir für LEDs, Siliziumkarbid für Hochfrequenztransistoren und günstiges Silizium für Leistungsbauteile. Weil Gitterabstände und Wärmeausdehnung nicht zusammenpassen, braucht es ausgeklügelte Pufferschichten – sonst reißt die Schicht beim Abkühlen. Die Grundlagen dieser Prozesse beschreibt Chemie in der Halbleiterfertigung.
GaN oder SiC?
Beide sind Wide-Bandgap-Halbleiter, besetzen aber unterschiedliche Nischen:
| GaN (HEMT) | SiC (MOSFET) | |
|---|---|---|
| Typische Spannung | bis etwa 650 V | 650 V bis über 3 kV |
| Stärke | sehr schnelles Schalten, kleine Kapazitäten | hohe Spannungen, sehr gute Wärmeleitung |
| Typische Anwendung | Ladegeräte, Server-Netzteile, HF-Verstärker | Antriebsumrichter, Ladesäulen, Solarwechselrichter |
Lohnt sich GaN immer?
Nicht automatisch. GaN-Transistoren kosten mehr als vergleichbare Silizium-MOSFETs, und ihr Vorteil zeigt sich nur, wenn die ganze Schaltung darauf ausgelegt ist: passende Treiber, höhere Schaltfrequenz, kleinere Magnetik, ein Layout mit winzigen Schleifen. Steckst du einen GaN-Transistor einfach in ein bestehendes Silizium-Design, gewinnst du wenig. Auch beim Kauf eines Netzteils lohnt ein Blick auf die Zahlen: Ein Wirkungsgradplus von zwei Prozentpunkten spart bei einem 65-W-Ladegerät, das gelegentlich lädt, nur Cent im Jahr. Der Mehrpreis rechnet sich vor allem über die kleinere Bauform – oder bei Netzteilen, die rund um die Uhr unter Last laufen, etwa in Servern.
Selbsttest
Wie groß ist der Bandabstand von GaN im Vergleich zu Silizium?
Etwa 3,4 eV gegenüber 1,12 eV – rund dreimal so groß.
Woraus besteht der leitende Kanal eines GaN-HEMT?
Aus einem zweidimensionalen Elektronengas, das sich an der Grenzfläche zwischen AlGaN und GaN durch Polarisation bildet.
Warum werden GaN-Ladegeräte so klein?
GaN-Transistoren schalten sehr schnell mit geringen Verlusten; die höhere Schaltfrequenz erlaubt kleinere Übertrager, Spulen und Kühlkörper.