Leistungshalbleiter GaN ist endlich da

Wegen des stetig zunehmenden Einsatzes elektronischer Systeme und dem entsprechend steigenden Energiebedarf muss der Wirkungsgrad von Leistungsbausteinen und -systemen deutlich steigen, um schwerwiegende Folgeerscheinungen für die Umwelt zu vermeiden. Silizium stößt als Halbleitermaterial zunehmend an seine von der Physik festgelegten Grenzen. Halbleitermaterialien mit großem Bandabstand, wie zum Beispiel Galliumnitrid, bieten Alternativen.

Drei Jahrzehnte lang haben die Chiphersteller die Leistungsverbesserungen von siliziumbasierten Leistungsbausteinen mit beträchtlichem technischem Aufwand um mehr als eine Größenordnung nach oben getrieben. Nachdem sich diese Technologie jedoch dem Reifestadium nähert, wird es immer teurer, selbst bescheidene Verbesserungen bei der Performance und dem Wirkungsgrad der Bausteine zu erzielen. Schätzungen zufolge ist eine Verbesserung von weniger als einem Faktor zwei für 30-V-MOSFETs wirtschaftlich machbar, für 600-V- bis 1200-V-IGBTs wäre vielleicht ein Faktor fünf möglich. Damit wird deutlich, dass sich weitere Fortschritte in der Performance von Leistungsbausteinen sinnvoll nur durch die Verwendung anderer Materialien als Silizium erreichen lassen. Zu den vielversprechendsten Alternativen zählt Galliumnitrid (GaN).


Obwohl der grundsätzliche GaN-HEMT (High Electron Mobility Transistor, Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit) bereits vor nahezu zwanzig Jahren erfunden wurde, sind erst in den letzten fünf bis sieben Jahren wesentliche Anstrengungen unternommen worden, um tatsächlich Leistungsbausteine unter Verwendung von GaN-on-Si-Technologie zu entwickeln. Sowohl die Performance als auch die Verfügbarkeit von GaN-basierten Leistungsbausteinen werden sich voraussichtlich im Laufe der nächsten zehn bis zwanzig Jahre deutlich verbessern, wobei sich die wichtigsten Leistungskennwerte der Bausteine, auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten betrachtet, über die nächsten fünf Jahre verbessern lassen.

Produktionskosten im Griff

Die Produktionskosten stellten die größte Hürde auf dem Weg zur wirtschaftlich sinnvollen Herstellung von GaN-basierten Leistungsbausteinen dar. Dazu zählen die Kosten des Substrats, die Epitaxie, die Bausteinfertigung, das Packaging, der Support und die Entwicklung. Nach den Kosten von Substrat und epitaxialen Schichten sind die Herstellkosten der Bausteine am kritischsten. Substratdurchmesser von mindestens 150 mm sind erforderlich, damit die Kosten im Rahmen bleiben. Das ist nur bei einer Verarbeitung in Halbleiterfertigungslinien mit hohen Stückzahlen und hohen, also Silizium-kompatiblen Standards bei der Ausbeute gegeben. Darüber hinaus setzt das Volumen, das benötigt wird, um den Markt der Leistungsbausteine zu befriedigen (derzeit ungefähr 10 Millionen 150-mm-Wafer pro Jahr), eine Skalierbarkeit in der Fertigung voraus, wie sie am ehesten bereits vorhandene Fertigungsanlagen für Siliziumbausteine bieten.

In Anerkennung dieser Fakten hat International Rectifier seine Technologieplattform »GaNpowIR« unter Verwendung der GaN-on-Si-Hetero-Epitaxie sowie eines Prozesses zur Bausteinherstellung entwickelt, der nur geringe Änderungen an den Geräten und Prozessen der standardmäßigen, modernen Silizium-CMOS-Fertigungslinien erfordert. Die ersten Produkte basierend auf dieser Technologie sind DC/DC-Leistungsstufenmodule mit niedriger Arbeitsspannung (30 V). Zwar ist der entscheidende Vorteil von GaN-basierten Niedervolt-HEMTs in Bezug auf den spezifischen Einschaltwiderstand nicht so offensichtlich, doch sollte man dabei nicht vergessen, dass bei vielen Niederspannungsanwendungen die so genannte »Figure of Merit« (FOM) RDS(on) x Qsw die entscheidende Rolle spielt. Diesbezüglich werden sich die GaN-HEMTs in den kommenden fünf Jahren voraussichtlich um mehr als eine Größenordnung gegenüber modernen Siliziumbausteinen verbessern. Das entspricht einer Figure of Merit von weniger als 4 mΩ x nC, verglichen mit einer FOM von ungefähr 45 mΩ x nC bei modernen Siliziumbausteinen.

Hindernisse bei der Verarbeitung

Eine der grundsätzlichsten Herausforderungen bei der Vermarktung von GaN-basierten Leistungsbausteinen ist die Entwicklung kostengünstiger III-Nitrid-Epitaxieprozesse mit hoher Ausbeute (Yield) und hohem Durchsatz auf Siliziumwafern mit großem Durchmesser. Silizium hat sich zwar als das Substrat für kommerzielle GaN-basierte Leistungsbausteine bewährt, jedoch verursacht die inhärente Fehlanpassung sowohl der Gitterkonstanten als auch des Wärmeausdehnungskoeffizienten bei den erforderlichen epitaktischen III-Nitrid-Schichten sowohl eine durchgehende Versetzung als auch wesentliche makroskopische Schichtspannungen, die zu einer überhöhten Verwerfung der Wafer sowie zu plastischen Verformungen (Rissen) in den Schichten führen. International Rectifier hat ein neuartiges Verfahren zum Aufwachsen der Epitaxieschicht auf 150-mm-Wafern in Standarddicke entwickelt, sodass sich ein Großteil der durchgehenden Versetzung vermeiden und die Belastungen infolge thermischer Fehlanpassung kompensieren lässt. Das Ergebnis ist eine Schicht hoher Qualität, die durchgehend bis 0,5 mm zur Waferkante frei von Rissen ist und eine Waferverformung von weniger als 20 µm aufweist.

Bislang verwendeten die meisten GaN-Bausteine Schottky-Gates, was beim Betrieb des Bausteins zu einem Leckstrom im Bereich einiger Milliampere pro Millimeter Gate-Breite führte. Bei einem Leistungsbaustein, der häufig eine effektive Gate-Breite im Bereich von einem Meter aufweist, würde das zu einem inakzeptablen Leistungsverlust und zu unzulässiger Erwärmung führen. Ähnlich wurde die maximale Betriebsspannung oft bei Source-Drain-Stromdichten in Sperrrichtung von einigen Milliampere pro Millimeter Gate-Breite spezifiziert. Deshalb liegt eine zusätzliche Herausforderung darin, diese Leckströme auf weniger als 1 µA/mm zu reduzieren. Der Hersteller kombinierte dafür eine proprietäre Gate-Konstruktion und eine in ihrer Qualität verbesserte epitaktische III-Nitridschicht. Das Ergebnis waren Gate- und Drain-Source-Leckströme von unter 10 pA/mm. Das resultierende Verhältnis von Ion zu Ioff von 1012 ist erheblich besser, als es sonst für GaN-basierte Bausteine berichtet wird; es übertrifft sogar vergleichbare Leistungsbausteine auf Siliziumbasis.

Einfluss des Gehäuses eliminiert

Die Hauptaufgabe, GaN-on-Si-basierte Bausteine hoher Spannung und Leistung zu entwickeln, wurde anscheinend zu einem hohen Maß erfüllt. Dennoch bleiben wesentliche Schwierigkeiten bestehen, Niederspannungsbausteine herzustellen, welche die Performance von Siliziumbausteinen übertreffen. Eines dieser Probleme liegt darin, den Source-Drain-Kontaktwiderstand zu senken und zu steuern. Auch wenn diese Komponente des RDS(on) bei einem Hochspannungsbaustein vernachlässigbar klein ist, kann sie für Bausteine mit einer Sperrspannung von unter 100 V erheblich sein. Tatsächlich muss sich der Kontaktwiderstand, um wettbewerbsfähig zu sein, bei Niedervoltbausteinen den Werten 1 µΩ cm2 oder unter 0,35 Ω mm annähern. Selbst ohne die Verwendung von Goldmetallurgie erfüllt die GaNpowIR-Technologieplattform diese Vorgabe nach Herstellerangaben kostengünstig und in hohen Stückzahlen.

Eine weitere Herausforderung für die Verwirklichung wirtschaftlich machbarer Niederspannungs-GaN-Bausteine ist die effektive Weiterleitung des Source-Drain-Stroms von Innen zu den externen Bausteinanschlüssen. Erreicht wurde dies durch den Einsatz einer planarisierten Mehrebenen-Metallisierung, wie sie in der Herstellung von ULSI-Siliziumbausteinen (Ultra Large Scale Integration) üblich ist. Außerdem kam eine proprietäre Solderable-Front-Metallurgie (SFM) zur Herstellung eines Flip-Chip-Dies zum Einsatz, um ein Drahtbonden zu vermeiden und andere parasitäre Werte des Gehäuses zu minimieren.

Auch die Bausteinausbeute ist wichtig, um großflächige Leistungsbausteine sinnvoll vermarkten zu können. Im Gegensatz zu HF-Bausteinen mit aktiven Flächen von unter 1 mm² weisen Leistungsbausteine häufig aktive Flächen von über 10 mm² auf. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit müssen bei solch großen Bausteinen üblicherweise Ausbeuten von über 80% erreicht werden.

Bild 1 zeigt eine Wafer-Abbildung der Ausbeuten für Bausteine von 15 mm2 (fehlerfreie Chips sind grün). Dies demonstriert den für die Vermarktung notwendigen Reifepegel des Prozesses. Es ist interessant festzustellen, dass ein Großteil des verbleibenden Ausbeuteverlusts nicht mit den Eigenschaften der epitaktischen III-Nitrid-Schichten zusammenhängt.

Schließlich ist selbstverständlich auch die Stabilität der In-Circuit-Performance des Bausteins Voraussetzung für die Vermarktung. Im Falle der GaNpowIR-Technologie ist die Stabilität dieses Faktors unter beschleunigten Bedingungen über einen Zeitraum von über 4000 Stunden laut Hersteller ausgezeichnet. So haben Zuverlässigkeitstests über mehr als 1 000 000 Bausteinstunden gezeigt, dass die Performance mit siliziumbasierten Bausteinspezifikationen übereinstimmt. Zu den Tests zählten Gate- und Reverse-Bias-Belastung, Konstantstrom (2 x Spezifikation), Temperatur, Feuchtigkeit, Vorspannung, Gehäusetests für MSL und Temperaturwechsel, Betriebslebensdauer bei hoher Temperatur sowie Lebensdauertests bei intermittierendem Betrieb.