Wide-Bandgap-Halbleiter GaN wird fit für SiC-Hochvolt-Anwendungen

Redakteur: Gerd Kucera

Galliumnitrid-Leistungshalbleiter (auch) für E-Autos: Imec und Aixtron präsentieren eine 200-mm-GaN-Epitaxie für 1200-V-Anwendungen mit einem Breakdown bei über 1800 V.

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High Voltage: 1200-V-qualifizierte Pufferschichten öffnet die Türen zu GaN-basierten Leistungsanwendungen mit höchsten Spannungen zum Beispiel für Elektroautos, die laut Imec bisher nur mit Siliziumkarbid-basierter Technologie möglich waren.
High Voltage: 1200-V-qualifizierte Pufferschichten öffnet die Türen zu GaN-basierten Leistungsanwendungen mit höchsten Spannungen zum Beispiel für Elektroautos, die laut Imec bisher nur mit Siliziumkarbid-basierter Technologie möglich waren.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Im Technologie-Rennen zwischen SiC und GaN bleibt es spannend. Das Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, Imec und der Anbieter von Beschichtungsanlagen für Verbindungshalbleiter-Materialien, Aixtron, geben jetzt das epitaktische Wachstum von Galliumnitrid-Pufferschichten bekannt.

Qualifiziert für 1200-V-Anwendungen auf 200-mm-QST-Substraten besitzen diese GaN-Devices einen harten Breakdown bei über 1800 V. Die Herstellbarkeit von 1200-V-qualifizierten Pufferschichten öffnet die Türen zu GaN-basierten Leistungsanwendungen mit höchsten Spannungen zum Beispiel für Elektroautos, die laut Imec bisher nur mit Siliziumkarbid-basierter Technologie möglich waren.

Das Ergebnis kommt nach der erfolgreichen Qualifizierung von Aixtrons vollautomatischer G5+-C-Anlage zur metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) bei Imec in Belgien, zur Integration des optimierten Material-Epi-Stacks.

SiC-Devices ausgereift, aber auch noch teuer

Die Wide-Bandgap Materialien Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) haben sich als Halbleiter der zukünftigen Generation für Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf bewährt, bei denen Silizium (Si) nicht ausreicht.

Die SiC-basierte Technologie ist die ausgereifteste, aber auch die teuerste. Im Laufe der Jahre wurden enorme Fortschritte bei der GaN-basierten Technologie erzielt, die zum Beispiel auf 200-mm-Si-Wafern gewachsen ist. Bei Imec wurden qualifizierte Enhancement-Mode-High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs) und Schottky-Dioden für Betriebsspannungen von 100 V, 200 V und 650 V demonstriert, was den Weg für Anwendungen in der Großserienfertigung ebnete.

Das Erreichen von Betriebsspannungen jenseits von 650 V wurde jedoch durch die Schwierigkeit begleitet, ausreichend dicke GaN-Pufferschichten auf 200-mm-Wafern zu erzeugen. Daher bleibt SiC bis jetzt der Halbleiter der Wahl für Anwendungen von 650 bis 1200 V, etwa zum Einsatz in Elektroautos und Anwendungen der alternativen Energien.

GaN kann die Technologie der Wahl werden

Erstmals haben Imec und Aixtron das epitaktische Wachstum von GaN-Pufferschichten, die für 1200-V-Anwendungen qualifiziert sind, auf 200-mm-QST-Substraten (in SEMI-Standarddicke) bei 25 °C und 150 °C demonstriert. Sie besitzen einen harten Breakdown jenseits von 1800 V. Denis Marcon ist Senior Business Development Manager bei Imec und konstatiert: „GaN kann jetzt die Technologie der Wahl für einen ganzen Bereich von Betriebsspannungen von 20 V bis 1200 V werden. Da diese Technologie auf größeren Wafern in CMOS-Fabs mit hohem Durchsatz prozessierbar ist, bietet die auf GaN-basierende Leistungstechnologie einen signifikanten Kostenvorteil gegenüber der systembedingt teuren SiC-basierten Technologie.“

Vertikaler Pufferleckstrom in Durchlassrichtung, gemessen an 1200-V-GaN-on-QST bei zwei verschiedenen Temperaturen: links 25 °C und rechts 150 °C. Der 1200-V-Puffer von Imec zeigt einen vertikalen Leckstrom unter 1 µA/mm2 bei 25 °C und unter 10 µA/mm2 bei 150 °C bis zu 1200 V mit einem Durchbruch von über 1800 V sowohl bei 25 °C als auch bei 150 °C, was ihn laut Imec für die Verarbeitung von 1200-V-Bauteilen geeignet macht.
Vertikaler Pufferleckstrom in Durchlassrichtung, gemessen an 1200-V-GaN-on-QST bei zwei verschiedenen Temperaturen: links 25 °C und rechts 150 °C. Der 1200-V-Puffer von Imec zeigt einen vertikalen Leckstrom unter 1 µA/mm2 bei 25 °C und unter 10 µA/mm2 bei 150 °C bis zu 1200 V mit einem Durchbruch von über 1800 V sowohl bei 25 °C als auch bei 150 °C, was ihn laut Imec für die Verarbeitung von 1200-V-Bauteilen geeignet macht.
(Bild: Imec)

Der Schlüssel zum Erreichen der hohen Durchbruchsspannung ist das sorgfältige Engineering des komplexen Epitaxie-Material-Stapels in Kombination mit der Verwendung von 200-mm-QST-Substraten, die im Rahmen des IIAP-Programms ausgeführt wurden. Die für CMOS-Fabs geeigneten QST-Substrate von Qromis haben eine thermische Dehnungsrate, die eng mit der Ausdehnungsrate der GaN/AlGaN-Epitaxieschichten übereinstimmt, was den Weg für dickere Pufferschichten ebnet und damit den Betrieb bei höheren Spannungen.

Laterale E-Mode-Bausteine prozessiert

Dazu sagt Dr. Felix Grawert, CEO und Präsident von Aixtron: „Die erfolgreiche Entwicklung von Imecs 1200-V-GaN-on-QST-Epi-Technologie in dem MOCVD-Reaktor von Aixtron ist ein weiterer Erfolg in unserer Zusammenarbeit mit Imec. Zuvor, nach der Installation der Aixtron G5+C bei Imec, wurde proprietäre 200-mm-GaN-on-Si-Materialien-Technologie auf unserer G5+C-Hochvolumen-Produktionsplattform qualifiziert. Sie zielt zum Beispiel auf Hochspannungsschalt- und HF-Anwendungen ab und ermöglicht einen schnellen Produktionshochlauf durch vorvalidierte verfügbare Epi-Rezepte. Mit dieser neuen Entwicklung werden wir in der Lage sein, gemeinsam neue Märkte zu erschließen.“

Derzeit werden laterale E-Mode-Bausteine prozessiert, um die Bausteinleistung bei 1200 V zu beweisen, und es wird daran gearbeitet, die Technologie auf noch höhere Spannungsanwendungen auszuweiten. Daneben erforscht Imec auch vertikale GaN-Bauelemente auf Basis 8-Zoll GaN-on-QST, um den Spannungs- und Strombereich der GaN-basierten Technologie weiter zu erweitern.

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