Infineon Applikationsspezifische und technische Herausforderungen in der GaN-Forschung

Autor / Redakteur: Oliver Häberlen * / Gerd Kucera

Derzeit gibt es weltweit noch keinen Massenmarkt für GaN-Halbleiter. Auf dem Weg zur Industriereife sind Aufgaben zu lösen, die vor allem die Themenbereiche Langlebigkeit und Qualität betreffen.

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Bild 1: Die Finanzierung von PowerBase erfolgt vor allem über Investitionen aus der Industrie, durch das ECSEL-Programm der EU sowie durch eine nationale Co-Förderung in Österreich, Belgien, Deutschland, Italien, Norwegen, Spanien, der Slowakei, Großbritannien und den Niederlanden.
Bild 1: Die Finanzierung von PowerBase erfolgt vor allem über Investitionen aus der Industrie, durch das ECSEL-Programm der EU sowie durch eine nationale Co-Förderung in Österreich, Belgien, Deutschland, Italien, Norwegen, Spanien, der Slowakei, Großbritannien und den Niederlanden.
(Bild: Infineon Austria)

Im Mittelpunkt der Aktivitäten des europäischen Forschungsprojektes PowerBase, bei dem Infineon federführend mitwirkt, steht die Entwicklung der nächsten Generation von Leistungshalbleitern auf Basis von neuen Materialien wie Galliumnitrid (GaN).

GaN ist ein aus zwei chemischen Elementen zusammengesetzter Verbindungshalbleiter, der mit einer Bandlücke von 3,4 eV zur Klasse der Wide-Band-Gap-Halbleiter gehört. Daraus resultiert eine gegenüber Silizium wesentlich erhöhte elektrische Durchbruchfeldstärke von etwa 3 MV/cm.

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Als weitere Besonderheit kann mit dem Material durch einen oberflächennahen Heteroübergang zwischen einer dünnen AlGaN-Schicht und dem GaN-Wafer ein zweidimensionales Elektronengases mit sehr hoher Beweglichkeit von über 2000 cm²/Vs erzeugt werden.

Dies ermöglicht die Herstellung von sehr kompakten und sehr schnell schaltenden Transistoren. Solche GaN-HEMTs (High Electron Mobility Transistors) finden sich heutzutage bereits in Mobilfunkbasisstationen für Schaltfrequenzen im 3-bis 5-GHz-Bereich.

Da GaN-Substrate (Wafer aus reinem GaN) sehr teuer sind und nur in kleinen Wafer-Durchmessern von bis zu 4 Zoll zur Verfügung stehen, wird die aktive GaN-Bauelementschicht in den meisten Fällen über einen Heteroepitaxie-Schritt auf einem Fremdsubstrat erzeugt. In der Regel kommt im oben genannten HF-Bereich Siliziumkarbid (SiC) zum Einsatz, was aber im Bereich der klassischen Leistungshalbleiter immer noch teurer ist.

Um die hohe Schaltfrequenz und damit auch Energieeffizienz von GaN-Schaltern auch in anderen Applikationsfeldern zu ermöglichen, gibt es in den letzten Jahren weltweit große Anstrengungen, GaN über Epitaxie-Prozesse auf den weitverbreiteten und preiswerten Silizium-Wafern herzustellen. Durch die stark unterschiedlichen Gitterkonstanten und thermischen Ausdehnungskoeffizienten von GaN und SiC sind die aufgebrachten GaN-Schichten jedoch mehr oder minder defektbehaftet.

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