Galliumnitrid / MIT

Fin-Gates machen vertikalen GaN-Transistor möglich

8. Januar 2018, 12:40 Uhr | Ralf Higgelke

Heute verfügbare GaN-Transistoren haben alle eine laterale Struktur. Doch vertikale Strukturen wie bei Silizium und SiC wären besser, bei GaN aber nicht wirtschaftlich machbar. Nun haben Forscher eine Fin-Struktur vorgestellt, sodass sich vertikale GaN-Transistoren kostengünstig herstellen lassen.

Bei Silizium und Siliziumkarbid (SiC) sind vertikale Transistorstrukturen der Standard, denn dort fließt der Strom durch den gesamten Wafer, sodass die Wärmeableitung viel gleichmäßiger ist. Obwohl diese Vorteile gut bekannt sind, waren vertikale Bauelemente in Galliumnitrid (GaN) schwierig herzustellen. Damit Transistoren effizient schalten, muss der durch den Halbleiter fließende Strom auf einen relativ kleinen Bereich beschränkt sein, wo das elektrische Feld des Gates diesen beeinflussen kann.

In der Vergangenheit hatten Forscher versucht, vertikale GaN-Transistoren zu bauen, indem sie physikalische Barrieren in das Material einbauten, um den Strom in einen Kanal unter dem Gate zu leiten. Aber die Barrieren bestehen aus einem »launenhaften« Material, das teuer und schwierig herzustellen ist. Zudem hat es sich als ebenso herausfordernd erwiesen, es in das umgebende Galliumnitrid zu integrieren, ohne die elektronischen Eigenschaften des Transistors zu stören.

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Auf der IEDM haben Forscher des MIT, des Chipherstellers IQE, der Columbia University, von IBM und der Singapore-MIT-Allianz eine nach eigener Aussage einfache und effektive Alternative vorgestellt. Anstatt eine interne Barriere zu verwenden, um Strom in einen schmalen Bereich eines größeren Bauteils zu leiten, verwendete das Team um Professor Tomás Palacios vom MIT einfach ein schmaleres Bauteil. Diese vertikalen GaN-Transistoren weisen oben liegende klingenartige Vorsprünge auf, auch bekannt als »Fins«. Auf beiden Seiten jeder Fin befinden sich elektrische Kontakte, die gemeinsam als Gate wirken. Der Strom tritt durch einen anderen Kontakt auf der Oberseite der Fin in den Transistor ein und tritt durch den Boden des Bauelements aus. Dadurch, dass die Fins so nahe beieinander sind, ist sichergestellt, dass die Gate-Elektrode den Transistor ein- und ausschalten kann.

»Die brillante Idee meiner Mitarbeiter Yuhao Zhang und Min Sun«, so Professor Palacios, »lautet: Anstatt den Strom zu begrenzen, indem wir mehrere Materialien in demselben Wafer haben, beschränken wir ihn geometrisch, indem wir das Material aus jenen Regionen entfernen, in denen der Strom nicht fließen soll.« Ergänzend sagt Palacios: »Anstatt den komplizierten Zickzack-Pfad für den Strom in konventionellen vertikalen Transistoren zu machen, ändern wir die Geometrie des Transistors komplett.«

Das vorgestellte Design eignet sich 1200 V, was für den Einsatz in Elektrofahrzeugen ausreicht. Aber die Forscher betonen, dass ihr Bauelement ein erster Prototyp aus einem akademischen Labor ist. Sie glauben, dass sich die Sperrspannung im Bereich von 3,3 kV bis 5 kV erhöhen ließen, um Galliumnitrid für Stromnetze nutzbar zu machen.