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.

Am Standort Villach in Österreich ist Infineon für diese Herangehensweise vorbereitet, der Halbleistungshersteller setzt hier eine große Bandbreite unterschiedlicher Technologien ein und prozessiert alle zurzeit gängigen Wafer-Durchmesser (4 Zoll, 6 Zoll, 8 Zoll und 12 Zoll).

Im Rahmen des PowerBase-Projektes werden die Stadien der Konstruktion von frühen Demonstratoren bis hin zur Vorbereitung für die Hochvolumenfertigung abgedeckt.

Derzeit gibt es weltweit noch keinen Massenmarkt für GaN-basierte Chips. Nach Abschluss des Forschungsprojektes wird es aber möglich sein, den Markt hiermit in Industriequalität und mit entsprechendem Volumen zu beliefern.

Herausforderungen bei Material und Technologien

Auf dem Weg zur Industriereife ist eine Reihe von Aufgaben zu lösen, die vor allem die Themenbereiche Langlebigkeit und Qualität umfassen. Daher werden End of Life-Untersuchungen bei unterschiedlichen applikationsspezifischen Belastungen wie beispielsweise Temperatur, Spannung und Feuchte durchgeführt, um auch mögliche neue, noch nicht bekannte Fehlermechanismen zu erkennen und rechtzeitig vorbeugende Maßnahmen zu deren Abstellung zu ergreifen.

Im Fertigungsverlauf selbst gibt es technische Anforderungen, die durch den Werkstoff an sich bedingt sind: Sprödigkeit der Schicht, Kristallbaufehler und Schichtstress. Hiervon betroffen ist vor allem der Epitaxie-Prozess der Pufferschichten und der aktiven GaN-Schicht.

Dabei gilt, dass eine höhere Sperrspannung zu einer dickeren GaN-Epitaxie-Schicht führt. Dies, wiederum, verspannt und verbiegt den Wafer, was zu Schwierigkeiten in einer hochautomatisierten Fertigung führt.

Ein Schwerpunkt des Forschungsprojekts wird deshalb auch auf der gezielten Einstellung der Spannung und Gegenspannung der Einzelschichten im Pufferaufbau liegen. Erklärtes Ziel ist es, die Wafer-Verbiegung unter 50 µm zu halten.

Applikationsspezifische Untersuchungen

Da es sich bei GaN um einen verhältnismäßig neuen Verbindungshalbleiter handelt, sollten Schaltungs-Designs sinnvollerweise immer neu gestaltet werden. Plug & Play-Versuche sind nur sehr begrenzt sinnvoll, da die Stärken der GaN-Schalter, wie zum Beispiel die möglichen höheren Schaltfrequenzen, damit überhaupt nicht adressiert werden können.

Aufgrund der hohen Energiedichte ist das thermische Design in allen nachfolgenden Bereichen der Wertschöpfungskette (Package, Platinen-Design und -material, Gehäuse etc.) von besonderer Bedeutung.

Wenn dies nicht Berücksichtigung findet, lassen sich die Vorteile von GaN-Schaltern ebenfalls nur begrenzt nutzen. Im Bereich der Verbindungs- und Gehäusetechnik müssen also ebenfalls neue, innovative Lösungen gefunden werden.

Eine mögliche attraktive Zielapplikation für die neuen GaN-Bauelemente sind Schaltnetzteile, wie sie zum Beispiel im Server- und Telekom-Bereich zum Einsatz kommen. Hier ermöglicht GaN einen Wirkungsgrad von über 99% in der PFC-Stufe über einen weiten Lastbereich.

Im Zuge des bis 2018 laufenden Forschungsprojektes PowerBase werden die bestehenden Herausforderungen beim Verbindungshalbleiter GaN intensiv erforscht. So wie von der ECSEL-Forschungsintiative vorgesehen, wird Europa damit als Kompetenzstandort für die Entwicklung und Fertigung von innovativer Leistungselektronik gestärkt und weiter ausgebaut.

* Dr. Oliver Häberlen ist Senior Principal Technology Development bei Infineon Technologies Austria AG, Villach.

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