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Imec und Aixtron

GaN-Epitaxie für 1200-V-Anwendungen demonstriert

26. Mai 2021, 11:30 Uhr | Ralf Higgelke

Das epitaktische Wachstum von Galliumnitrid-Pufferschichten für 1200-V-Anwendungen auf 200-mm-QST-Wafern von Qromis haben das imec und Aixtron demonstriert. Damit könnte diese Technologie in Anwendungen wie Elektroautos vorstoßen, die bislang IGBTs und SiC-MOSFETs unter sich aufgeteilt haben.

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Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) haben sich als kommende Halbleitermaterialien für Anwendungen mit hohen Leistungen bewährt, bei denen Silizium (Si) nicht ausreicht. Zwar ist die SiC-basierte Technologie ist am ausgereiftesten, aber auch am teuersten. Im Laufe der Jahre wurden enorme Fortschritte mit GaN-basierten Technologien gemacht, die zum Beispiel auf 200 mm großen Silizium-Wafern gezüchtet werden.

In der Vergangenheit hat das imec selbstsperrende HEMTs (High Electron-Mobility Transistors) und Schottky-Dioden für Betriebsspannungen von 100 V, 200 V und 650 V demonstriert und damit den Weg für hochvolumige Anwendungen geebnet. Betriebsspannungen über 650 V zu erreichen, wurde jedoch dadurch erschwert, dass die GaN-Pufferschichten auf 200-mm-Wafern nicht dick genug waren. Daher blieb Siliziumkarbid bisher der Halbleiter der Wahl für neue Anwendungen im Bereich von 650 V bis 1200 V – darunter zum Beispiel Elektroautos und erneuerbare Energien.

Erstmals konnten imec und Aixtron das epitaktische Wachstum von GaN-Pufferschichten für 1200-V-Anwendungen auf 200 mm großen QST-Substraten von Qromis (in SEMI-Standarddicke) bei +25 °C und +150 °C demonstrieren, wobei ein harter Durchbruch von über 1800 V erreicht wurde. Zuvor hatte das imec den Reaktor G5+ C von Aixtron für die metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) bei sich qualifiziert und einen optimierten Material-Epi-Stack integriert.

Entscheidend dafür, diese hohe Durchbruchsspannung zu erreichen, ist das sorgfältige Design des komplexen epitaktischen Materialstapels in Kombination mit der Verwendung von 200 mm großen QST-Substraten, die im Rahmen des IIAP-Programms gefertigt wurden. Die für den Einsatz in CMOS-Fabs geeigneten QST-Substrate von Qromis haben ein thermisches Ausdehnungsverhalten, das dem der GaN/AlGaN-Epitaxieschichten sehr nahe kommt. Dies ebnet den Weg für dickere Pufferschichten – und damit für höhere Spannungen.

»GaN kann jetzt die Technologie der Wahl für einen ganzen Bereich von Betriebsspannungen von 20V bis 1200V werden«, freut sich Denis Marcon, Senior Business Development Manager bei imec. »Da sie sich auf größeren Wafern in CMOS-Fabs mit hohem Durchsatz prozessieren lassen, bietet die GaN-basierte Leistungselektronik einen erheblichen Kostenvorteil gegenüber der an sich teuren SiC-basierten Technologie.«

Derzeit werden laterale selbstsperrende Bauelemente gefertigt, um die Leistungsfähigkeit der Bauelemente bei 1200 V nachzuweisen. Außerdem wird daran gearbeitet, die Technologie auf Anwendungen mit noch höheren Spannungen zu übertragen. Daneben erforscht das imec auch vertikale GaN-Bauelemente für 200-mm-QST-Wafer, um den Spannungs- und Strombereich der GaN-basierten Technologie noch stärker zu erweitern.