Neue Materialien GaN Galliumnitrid - Vom Konzept zur Realität

GaN - Das Material und seine Eigenschaften

Die Epitaxie von GaN-Layern auf Siliziumsubstraten per MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition) erfordert sehr komplexe Prozesse. Sie lassen sich nur mit ausgewiesener Expertise in der Chemie der Verbindungs-Halbleiter bewältigen. Noch anspruchsvoller sind die Vorkehrungen für das Stress-Management in der Waferfertigung. Die eingesetzten Stack-Strukturen müssen sorgfältig kontrolliert werden, um die Anforderungen der höheren Betriebsspannungen und zugleich die strikten Spezifikationen für die zulässige Waferdurchbiegung zu erfüllen, wie sie für Si-CMOS-Fertigungslinien gelten.

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GaN - Neue Materialien verdrängen Leistungshalbleiter aus Silizium

GaN - Neue Materialien verdrängen Leistungshalbleiter aus Silizium

EpiGaN fertigt heute GaN-on-Silicon-Wafer mit einer Durchbruchspannung oberhalb 800 V und sehr geringen Leckströmen bei einer Nennspannung von 650 V. Das ist keinesfalls die obere Grenze. Neueste Forschungsergebnisse belegen mögliche Durchbruchspannungen von mehr als 2 kV. Die gegenwärtig geltenden Maximalwerte beschränken die GaN-Transistoren auf Leistungsanwendungen im Bereich 30 bis 200 V.

Doch Bausteine mit 600 V Durchbruchspannung sind bereits angekündigt, etwa vom japanischen Chipmacher Panasonic. Sie sollen noch in diesem Jahr in die Volumenfertigung gehen. Und es wird nicht mehr allzu lange dauern, bis Ausführungen mit 1200 V lieferbar sind. Das erlaubt in vielen Anwendungen den Ersatz von zwei Si-MOSFETs durch einen GaN-HEMT (high electron mobility transistor). Diese Entwicklung wird die Kosten, die Baugröße und das Gewicht von Leistungswandlern substanziell reduzieren.

Als Verbindungshalbleiter mit breiter Bandlücke von 3,4 bis 6,2 eV, je nach dem Aufbau des Materials, gehört GaN zu einer überlegenen Materialklasse. Das ermöglicht höhere Betriebstemperaturen. Aufgrund der um eine Größenordnung höheren Feldstärken gegenüber Silizium, der hohen Trägermobilität und -konzentration in Verbindung mit der Ausbildung eines zweidimensionalen Elektronengases (2DEG) in der AlGaN/GaN-Heterostruktur zeigen GaN-Bausteine in Schaltapplikationen einen niedrigen Durchlasswiderstand (on-resistance) bei zugleich schnellem Schaltverhalten.

Die derzeit kostengünstigste GaN-Technologie basiert auf der GaN-on-Silicon-Waferstruktur, also der GaN-Epitaxie auf Si-Wafern. Sie hat sich so weit entwickelt, dass es möglich ist, komplexe Heterostrukturen mit Durchmessern bis zu 150 mm zu erzeugen. Schon in naher Zukunft werden auch 200-mm-Wafer verfügbar sein. Die Entwicklung richtet sich verstärkt auf die Kompatibilität zu Standard-Si-CMOS-Prozessen. Sobald das gelingt, steht die Tür weit offen für zusätzliche Kostenreduktionen durch die Nutzung der existierenden 200-mm-Fertigungslinien in Silizium-Fabs.

GaN ersetzt Si in Leistungsbausteinen

In der raschen Evolution der Halbleiter-Technologien sucht die Industrie ständig nach Verbesserungen und Innovationen aus ökonomischen Erwägungen und Randbedingungen. Eine kürzlich veröffentliche Studie des französischen Marktforschers Yole Développement sieht um 2020 ein Marktvolumen für GaN-Bausteine von 600 Mio. Dollar. Das bedeutet eine mittlere Wachstumsrate von 80 % ausgehend vom heutigen Stand von gerade 25 Mio. Dollar. Das ist eher bescheiden, da es sogar die industriellen und akademischen F&E-Aufwendungen einbezieht. Laut dieser Studie wird in sechs Jahren dieses antizipierte Wachstum einen jährlichen Fab-Durchsatz von 600.000 GaN-on-Si-Wafern mit 200 mm Durchmesser bewirken.

Einkristall- oder Bulk-GaN-Substrate sind immer noch zu klein und viel zu teuer. Daher ist Silizium eine logische Konsequenz als Substrat für GaN-Bausteine. Industriegeeignete epitaxiale GaN-on-Si-Wafer werden in MOCVD-Reaktoren hergestellt. Diese Epi-Wafer werden derzeit mit Durchmessern von 100, 150 und sehr bald auch 200 mm angeboten. Sie sind die Grundlage für diskrete Bauelemente wie Transistoren und Dioden, etwa in Schaltnetzteilen für Server in großen Datenzentren, Solar-Invertern, Motorsteuerungen und Hybridfahrzeugen.

MOCVD-Reaktoren für die epitaxiale Deposition werden seit Langem eingesetzt, unter anderem für Laser, LEDs und HF-Komponenten auf Silizium-Basis. Das epitaxiale Aufwachsen von GaN auf Si unterscheidet sich von der eingeführten Technik, denn es gibt dabei Faktoren, die besondere Aufmerksamkeit erfordern. Am wichtigsten ist der mechanische Dehnungsstress in den GaN-on-Si-Wafern infolge der schwerwiegenden Fehlanpassung des Kristallaufbaus und des Temperaturkoeffizienten zwischen Galliumnitrid und Silizium. Unbehandelt führt dies zu nicht tolerierbaren Durchbiegungen des Wafers und zu Fehlstellen (cracks).