Galliumnitrid

Die Halbleiter der nächsten Generation

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Europäische Zielstellung: GaN-Massenproduktion

Die Europäer wollen bis 2014 Leistungstransistoren in 200-mm-GaN-auf-Silizium-Technik zur Marktreife bringen und massenproduktionstauglich machen. „Das zukünftige Erfolgspotenzial von GaN hängt ab von Herstellungsbedingungen, mit denen große Wafer gehandhabt werden können und dem Einsatz entsprechender Passivierungstechniken“, erklärt die Gründerin und CEO von EpiGaN Marianne Germain (Bild).

Das belgische Unternehmen EpiGaN (Spin-off von IMEC) mit Sitz in Hasselt hat vor kurzem als erstes europäisches Unternehmen zwei MOCVD-Anlagen (metallorganische chemische Gasphasenabscheidung) von Aixtron zur Herstellung von GaN auf Silizium erfolgreich in Betrieb genommen. Bestücken lassen sich die Anlagen entweder mit mehreren 6-Zoll-Substraten oder einem 8-Zoll-Substrat (Bild 1). Zunächst wollen die Belgier 6-Zoll-Wafer für Bauelemente der Leistungs- und Hochfrequenzelektronik auf den Markt bringen und die nächste Generation von 200-mm-GaN-auf-Si-Wafern entwickeln.

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Das vom Berliner Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) koordinierte EU-Projekt HiPoSwitch fokussiert neuartige Galliumnitrid-basierte Transistoren. Sie sollen bei künftigen Leistungskonvertersystemen für weniger Volumen und Gewicht bei gleichzeitig höherer Leistungsfähigkeit sorgen.

Das FBH und Infineon Technologies Austria entwickeln im Projekt gemeinsam selbstsperrende GaN-Leistungstransistoren. Der Aufbau der Transistoren erfolgt vorwiegend auf GaN-auf-Si-Wafern von EpiGaN.

Die Prozessmodule aus dem FBH sollen dabei möglichst rasch auf einen massentauglichen Industrieprozess bei Infineon übertragen werden. Besonderes Augenmerk liegt auf der Zuverlässigkeit.

Auch explorative Konzepte in Richtung neuartiger selbstsperrender GaN-Leistungstransistoren, die bei Temperaturen bis 250°C arbeiten können, werden untersucht. Oberhalb dieser Temperaturen treten vermehrt Degradationseffekte auf. Ziel ist es, ein gutes Verständnis der Degradationsmechanismen zu erhalten, um damit gezielt zuverlässigere Bauelemente herstellen zu können.

Technologietransfer in die Industrie

Parallel zur Bauelementeentwicklung arbeiten die Industriepartner am Transfer der Technologie in eine industrielle Umgebung zur Fertigung großer Stückzahlen: EpiGaN konzentriert sich auf 200 mm GaN-auf-Si-Epitaxieentwicklungen, während Aixtron seine Epitaxiereaktoren auf den Durchsatz großer Mengen optimiert. Infineon Technologies Austria wiederum etabliert in seiner Prozesslinie einen GaN-Prozess auf Basis der entwickelten Transistorkonzepte und nutzt dazu die GaN-auf-Si-Wafer von EpiGaN.

Artesyn Austria wird die Leistungsfähigkeit der neu entwickelten Technologie anhand eines hocheffizienten Invertersystems der Kilowatt-Klasse demonstrieren, das beispielsweise in Basisstationen der neuesten Generation für die Mobilkommunikation zum Einsatz kommen soll.

GaN-Transistoren werden derzeit hauptsächlich in Mikrowellen-Leistungsverstärkern verwendet. Diese Schaltelemente eignen sich aufgrund der hohen 2 DEG des Galliumnitrids ebenfalls als schnelle Hochstromschalter in gepulsten Laserquellen.

Anwendungen in der Leistungselektronik

Das Schlüsselbauelement für Anwendungen in der Leistungselektronik sind selbstsperrende Leistungstransistoren. Sie werden mit einer positiven Steuerspannung (bis 5 V) am Gate eingeschaltet und schalten bei fehlender Steuerspannung automatisch ab. Derzeit ist das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) der einzige europäische Hersteller, der selbstsperrende GaN-Transistoren für Leistungsanwendungen demonstriert hat.

Realisiert wurden hier Galliumnitrid-Leistungstransistoren mit einer Stromtragfähigkeit von 150 A und einer Sperrspannung von 250 V bis zu 5 A Stromtragfähigkeit und 1200 V Sperrspannung.

„Selbstsperrende GaN-Transistoren sind inhärent sicher und eignen sich damit für Konvertersysteme, die eine besonders hohe Betriebszuverlässigkeit erfordern“, erklärt Dr. Joachim Würfl (Bild), der den Geschäftsbereich GaN-Elektronik am FBH leitet.

Die Transistoren sind lateral aufgebaut. Bei den 1000-V-Transistoren lassen sich aufgrund einer rückseitigen Barriere aus AlGaN die Elektronen auch bei hohen Sperrspannungen im Kanal konzentrieren. Spannungsfestigkeiten von mehr als 150 V/µm Gate-Drain-Abstand werden so erreicht.

Hinter diesen Werten stecken viel Knowhow und Entwicklungsarbeit sowie technische Optimierungen, die gezielt aufeinander abgestimmt sein müssen: Die Halbleiterschichten, das Transistordesign, die Herstellungstechnologie.

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