Galiumnitrid-Forschung Welche Herausforderungen bei GaN-Halbleitern noch zu lösen sind

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: Ein prozessierter 150-mm-Wafer in GaN-on-Si-Technologie
Bild 1: Ein prozessierter 150-mm-Wafer in GaN-on-Si-Technologie
(Bild: Infineon)

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 Segment 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.

GaN-Fertigung in Silizium-Hochvolumen-Anlagen

Zu den Forschungsschwerpunkten von PowerBase zählen daher intensive Material- und Zuverlässigkeitsforschung für verbesserte Qualität und Langlebigkeit von GaN-basierten Halbleitern. Des Weiteren ist der Aufbau von Pilotlinien für 200-mm-Wafer zur Herstellung von GaN-basierten Leistungskomponenten in einem hochvolumigen industriellen Fertigungsumfeld vorgesehen.

Das Vorhaben umfasst drüber hinaus auch die Optimierung von klassischen Silizium-Materialien. Die im Projekt PowerBase zusammengeschlossenen Forschungspartner decken die gesamte Wertschöpfungskette moderner Leistungshalbleiter-Produkte ab, einschließlich Trägermaterialien (Substrate), der Halbleiter-Entwicklung, der Weiterentwicklung in Logistik- und Automatisierungstechnik sowie Chip-Embedding- und Packaging-Lösungen.

Als übergeordnetes Ziel wurde definiert, GaN-basierte Halbleiterschalter deutlich kostengünstiger herzustellen und damit den Einsatzbereich auszuweiten.

Das Forschungsteam setzt deshalb auf einen integrierten Ansatz, bei dem die neuen GaN-Wafer größtenteils auf denselben Anlagen gefertigt werden, wie bei der Silizium-Technologie. Die damit mögliche bessere Auslastung der Anlagen führt zu einer schnelleren Economy-of-Scale und damit zu Kostenvorteilen.

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