Galliumnitrid Die Halbleiter der nächsten Generation

Autor / Redakteur: Kristin Rinortner * / Kristin Rinortner

Die Effizienz moderner Elektroniksysteme wird durch die aktiven Schaltelemente begrenzt. Die Silizium-Technologie stößt hier an ihre Grenzen. Bessere Materialeigenschaften verspricht GaN.

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Leistungshalbleiter: Flip-Chip montierter, am FBH hergestellter, 50-A-GaN-Leistungstransistor
Leistungshalbleiter: Flip-Chip montierter, am FBH hergestellter, 50-A-GaN-Leistungstransistor
(Bild: FBH / Schurian.com)

Der III-V-Halbleiterwerkstoff Galliumnitrid (GaN) gehört nach Silizium-basierten Werkstoffen zu den wichtigsten Halbleitern in der Elektronikindus-trie. Er zeichnet sich durch eine große Bandlücke von 3,41 eV aus (Si: 1,12 eV), die einen großen Teil der physikalischen und elektronischen Eigenschaften bestimmt.

So ist der Einschaltwiderstand eines GaN-Transistors gegenüber einem Silizium-Transistor mit gleicher Stromtragfähigkeit mindestens eine Größenordnung besser. Eingangs- und Ausgangskapazitäten sind sehr viel kleiner. Aufgrund dessen schalten GaN-Bausteine viel schneller als Silizium-Transistoren.

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Die Durchbruchsfeldstärke von 3,3 MV/cm (das ist etwa zehnmal so hoch wie bei Silizium) führt zu kompakteren Bauelementen und damit zu geringeren parasitären Verlusten. Die Schaltgeschwindigkeit ist im Vergleich zu Silizium etwa um den Faktor 10 höher. GaN-Bausteine lassen sich bei höheren Temperaturen betreiben, was den Kühlaufwand in damit ausgestatteten Systemen reduziert. Gerade bei Leistungskonvertern im Bereich Elektromobilität ist dies von Bedeutung.

Aufgrund dieser Eigenschaftskombinationen arbeitet GaN bei hohen Spannungen sehr effizient. Anwendungsgebiete sind u.a. Wechselrichter für Solar- und Windkraftanlagen, Stromversorgungen, Energieumsetzer für Elektrofahrzeuge, Motoransteuerungen, Mobilfunk-Stationen, satellitengestützte Solarkonverter für die Raumfahrttechnik.

Eine kostengünstige Massenproduktion ist derzeit allerdings noch nicht gegeben. Im Labormaßstab werden die GaN-Halbleiterbausteine von verschiedenen Forschungseinrichtungen und Firmen bereits produziert. Europäische, japanische und amerikanische Produkte sind auf dem Markt kommerziell verfügbar.

Technologietreiber und Marktentwicklung

Sehr weit fortgeschritten in der Entwicklung sind die Japaner, hier seien Unternehmen wie Fujitsu, Furukawa, Matsushita/Panasonic, Sharp, Toshiba, Sanken und Toyota genannt. In Amerika dominieren Efficient Power Conversion (EPC) und International Rectifier bei Leistungstransistoren den Markt.

Die Europäer haben, was die Leistungselektronik-Foundries anbetrifft, großen Aufholbedarf. Die Forschung steht hingegen auf internationalem Stand. Das ist sicher auch darauf zurückzuführen, dass in den vergangenen Jahren zahlreiche Forschungsprojekte initiiert wurden, an denen u.a. Forschungsinstitute wie das Ferdinand-Braun-Institut (FBH), das Fraunhofer IAF, die Universitäten Wien, Erlangen und Padua, die RWTH Aachen, IMEC sowie Firmen wie Tesat, Infineon Technologies Austria, EpiGaN, Bosch, IXYS, UMS sowie STM beteiligt sind. Die Gerätetechnik für das Wachstum der epitaktischen Schichten kommt zumeist von Aixtron aus Herzogenrath.

Das französische Marktforschungsunternehmen Yole Development sieht gute Chancen für den Halbleiter GaN und prognostiziert ein Marktwachstum für GaN-Leistungselektronik bis zum Jahr 2016 auf 500 Mio. US-$. Im Jahr 2013 dürfte laut Yole eine Verlagerung der reinen Forschungsaktivitäten hin zur Produktion stattfinden, was dem Markt noch einmal einen Schub auf 50 Mio. US-$ geben könnte (2012: 10 Mio. US-$). Im Jahr 2015 soll die Qualifikation von GaN für Elektrofahrzeuge den Markt nochmals beflügeln, Schätzungen belaufen sich auf jährliche Umsatzzahlen von etwa 1 Mrd. US-$, sollten sich die Automobilisten für GaN entscheiden. Insgesamt dürften sich dann etwa 12 bis 15 Unternehmen den weltweiten GaN-Markt von etwa 100.000 6-Zoll-Wafern teilen.

Galliumnitrid wird epitaktisch auf so genannten Fremdsubstraten mit mehr oder minder großer Gitterfehlanpassung abgeschieden. Die Herstellung von großen GaN-Einkristallen, aus denen die Wafer gesägt werden können, ist technologisch sowie materialtechnisch noch nicht zufriedenstellend gelöst. Es existieren zahlreiche Substratvarianten wie GaN auf Saphir, GaN-auf-SiC, GaN-auf-GaN, GaN-auf-AlN und GaN auf Silizium. GaN-auf-SiC ist die derzeit am häufigsten verwendete Technologie. Die Entwicklungen gehen aus Kostengründen in Richtung GaN-auf-Si. GaN-Epitaxieschichten auf 200-mm-Silizium-Wafern dürften den ökonomischen Durchbruch bringen.

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.

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.

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.

„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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