Galliumnitrid

Die Halbleiter der nächsten Generation

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Herausforderungen bei der Herstellung von GaN-Transistoren

Das epitaktische Wachstum von GaN auf Silizium-Substraten wird durch die stark unterschiedlichen Gitterkonstanten, die thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowie die Reaktionsfreudigkeit von Gallium und Silizium bei hohen Temperaturen erschwert. Die hohe Gitterfehlanpassung von etwa 17% führt zu einer hohen Versetzungsdichte, die bei 1010 cm–2 liegt.

Die thermische Fehlanpassung beträgt mehr als 50%. Das führt dazu, dass die GaN-Schichten während des Abkühlens reißen. Pro µm Schichtdicke treten Zugspannungen von 0,1 bis 0,2 GPa auf. Die Gesamtdicke eines FBH-GaN-Wafers beträgt etwa 600 µm.

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„Allein die hohen mechanischen Verspannungen, die entstehen, wenn man GaN direkt auf das Silizium-Substrat aufbringt, führen ohne spezielle Gegenmaßnahmen dazu, dass sich der Wafer so stark durchbiegt, dass er nicht mehr prozessierbar ist“, erläutert Würfl die Herstellungsproblematik.

„Die mechanischen Spannungen kann man durch das gezielte Einbringen von Zwischenschichten wie Aluminium oder Aluminium-Galliumnitrid und Tempern auf vertretbare Werte reduzieren. Eine Prozessüberwachung ist bei der Fertigung unumgänglich“, fügt Dr. Markus Weyers (Bild), der die Materialtechnologie verantwortet, hinzu.

Da diese Schichten jedoch eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen, sind innovative Konzepte notwendig, um die Verlustwärme effizient abzuleiten. Dafür hat das Team am FBH eine Bumptechnologie entwickelt, bei der kleine Metallkugeln aus einer Blei-Zinn- oder Kupfer-Legierung vollautomatisch auf einer Metallisierung präzise platziert werden. Beim Tempern schmelzen diese Kügelchen zu Lothöckern (Bumps).

„Dazu kommt, dass GaN piezoelektrisch ist. Das heißt, Eigenspannungen des Gitters oder äußere Spannungen induzieren eine zusätzliche Polarisation des Kristalls, die in Richtung der c-Achse am stärksten ausgeprägt ist. Das führt an den Grenzflächen der Epitaxieschichten zu einer verstärkten Konzentration von Flächenladungsträgern“, erklärt Weyers.

Begrenzende Faktoren für den Massenmarkt

Obwohl GaN-Bausteine die wirtschaftlich überlegene Alternative zu SiC-Bausteinen sind, bereitet den Herstellern die temporäre Konzentration der Ladungsträger (Charge Trapping) in der Epitaxieschicht und verschiedenen anderen Bereichen des Bauelements Probleme. Dies führt zu einer Leistungsverschlechterung, die sich häufig entweder als dynamischer Einschaltwiderstand (bei Schaltern) oder als Stromkollaps (bei HF-Verstärkern) äußerte. Dies versucht man mit optimierten Epitaxie- und Passivierungsschichten in den Griff zu bekommen.

„Unsere Leistungstransistoren sind statisch etwa um den Faktor 5 besser als Silizium-Transistoren, dynamisch leider noch nicht“, kommentiert Würfl.

Bild 4 zeigt die Stellen, an denen sich in der lateralen Struktur des aufgebauten Transistors Defekte konzentrieren (das sind vorwiegend die Kanten), die zum Beispiel Leckströme zwischen Gate und Drain verursachen können. Dies gilt es durch Prozessüberwachung und Qualitätsstandards auf das Niveau von Silizium-Bausteinen zu bringen (0,1 µA/mm).

Transistoren mit vertikalen Strukturen

Daneben entwickeln die Mitarbeiter des FBH in Berlin auch Transistoren mit einem quasi-vertikalen Aufbau. In dieser Form lässt sich der GaN-Halbleiterbaustein günstiger montieren. „Allerdings muss man hier den Stromfluss umbiegen“, meint Würfl, „womit wir natürlich schnell an die physikalischen Grenzen stoßen“.

Der ungehäuste GaN-Baustein wird im Flip-Chip-Verfahren (dt. Wende-Montage) montiert. Dieses gängige Verfahren der Halbleitertechnik ermöglicht kleine Gehäuseabmessungen, parasitäre Induktivitäten werden aufgrund der minimalen Anschlusslängen reduziert. Alle Anschlüsse befinden sich auf der Vorderseite des Chips.

Revolution für die Leistungselektronikbranche

Da die Transistoren auf kostengünstigen Silizium-Substraten aufgebaut seien, wären sie aus wirtschaftlicher Sicht sehr interessant, da sie längerfristig deutlich bessere technische Eigenschaften mit vergleichsweise günstigen Kosten verbinden würden, meint Würfl resümierend. „GaN geht bis zu Betriebsspannungen von 600 V gut.“ Die Grenze sieht er derzeit bei rund 1200 V Betriebsspannung, die eine Sperrspannung von mindestens 1400 V bedingt.

Michael A. Briere von ACOO Enterprises, einer exklusiv für International Rectifier tätigen Unternehmensberatung, kommt zu einem ähnlichen Schluss: „Zwar befinden wir uns nach wie vor in einer Frühphase der Vermarktung von GaN-Leistungstransistoren. Gleichwohl ist klar, dass die Kombination einer deutlich höheren Leistung mit wettbewerbsfähigen Preisen mit hoher Wahrscheinlichkeit die Leistungselektronikbranche revolutionieren wird.“

* * Kristin Rinortner ist Redakteurin bei Elektronikpraxis.

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