Ferdinand-Braun-Institut Galliumoxid-MOSFET bewältigt 155 MW/cm²

Galliumoxid-Chip mit Transistor- und Messstrukturen, hergestellt am FBH mittels Projektionsbelichtung.
Galliumoxid-Chip mit Transistor- und Messstrukturen, hergestellt am FBH mittels Projektionsbelichtung.

Das Ferdinand-Braun-Institut hat einen lateralen Leistungstransistor entwickelt, der bei 1,8 kV Durchbruchsspannung eine Leistungsdichte von 155 MW/cm² erreicht. Die Durchbruchfeldstärke liegt bei 1,8 MV/cm bis 2,2 MV/cm für Gate-Drain-Abstände zwischen 2 µm und 10 μm.

Ziel der Leistungshalbleiterei ist die Leistungsdichte immer höher zu schrauben, also auf möglichst wenig Fläche immer weniger elektrische Verluste generieren. Herkömmliche Bauelemente aus Silizium stoßen hierbei an ihre Grenzen. Daher forschen weltweit Wissenschaftler an neuartigen Materialien und Bauelementen, die diese Anforderungen erfüllen. Dem Ferdinand-Braun-Institut (FBH) ist nach eigener Aussage nun ein Durchbruch mit Transistoren auf der Basis von Galliumoxid (ß-Ga2O3) gelungen.

Die neu entwickelten lateralen MOSFETs können bei 1,8 kV Durchbruchsspannung eine elektrische Leistung von 155 MW/cm² erreichen, nahe am theoretischen Materiallimit von Galliumoxid. Gleichzeitig liegen die erzielten Durchbruchfeldstärken mit 1,8 MV/cm bis 2,2 MV/cm für Gate-Drain-Abstände zwischen 2 µm and 10 μm deutlich über jenen von etablierten Halbleitern mit großer Bandlücke wie etwa Siliziumkarbid oder Galliumnitrid.

Optimierte Schichtstruktur und Gate-Topologie

Um diese Verbesserungen zu erreichen, setzte das FBH-Team an der Schichtstruktur und an der Gate-Topologie an. Die Basis lieferten Substrate aus dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) mit einer optimierten epitaktischen Schichtstruktur. Dadurch wurden die Defektdichte verringert und die elektrischen Eigenschaften verbessert. Dies führt zu niedrigeren Widerständen im eingeschalteten Zustand.

Die Gate-Topologie wurde so weiterentwickelt, dass die hohen Feldstärken an der Gate-Kante reduziert werden konnten. Dies wiederum führt zu höheren Durchbruchspannungen.

Originalpublikation

K. Tetzner, et al., Lateral 1.8 kV β -Ga2O3­ MOSFET With 155 MW/cm² Power Figure of Merit, IEEE Electron Device Letters, vol. 40, no. 9, pp. 1503-1506, Sept. 2019. DOI: 10.1109/LED.2019.2930189