Neue Materialien GaN Galliumnitrid - Vom Konzept zur Realität

Kontaminierung der Si-Fab-Umgebung

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GaN - Neue Materialien verdrängen Leistungshalbleiter aus Silizium

GaN - Neue Materialien verdrängen Leistungshalbleiter aus Silizium

Die wirtschaftlichste Methode zur Verarbeitung der GaN-on-Si-Epi-Wafer ist die Nutzung existierender Standard-Si-CMOS-Fabs. Diese arbeiten zuverlässig mit hohen Ausbeuten und Durchsätzen und höchst automatisiert. Das heißt natürlich nicht, dass es einfach und geradlinig wäre, eine bestehende Wafer Fab von Si- auf GaN-Verarbeitung umzustellen.

Eine mögliche Komplikation ist die Reinraum-Kontaminierung durch frei schwebende GaN-Partikel, die sich auf den Wafern und Tools absetzen. Deshalb ist die erste Reaktion von Si-Fab-Managern ein klares „Nein“, wenn sie auf die Verarbeitung von GaN-Wafern angesprochen werden. Also sind spezifische Gegenmaßnahmen erforderlich, um jedwede Verunreinigung der Fabs und Tools zu vermeiden.

EpiGaN als Anbieter von GaN-on-Si-Wafern hat darauf reagiert: Die Lösung ist eine spezielle Versiegelung der Oberseite des GaN-on-Si-Wafer in Form eines Siliziumnitrid-(SiN-) Passivierungs-Layer, der etwa 50 bis 100 nm dick ist. Auf diese Weise wird das Eindringen von GaN in die Fab-Umgebung vermieden. Die Wafer haben sozusagen Silizium auf der Unter- und auf der Oberseite.

Das belgische Unternehmen ist ein Pionier dieser Oberflächen-Passivierung mit In-situ-SiN-Schutzschicht. Der Prozess ist aus dem Aufwachsen von SiN per MOCVD entstanden, als Passivierung von III-Nitriden. EpiGaN setzt diesen Mechanismus in viel breiteren Anwendungen ein, etwa als spezielles Gate-Dielektrikum mit glatter und kontaminationsfreier Oberfläche. Dies wird die Einführung der Technik in Si-CMOS-Fabs vereinfachen.

Da der schützende SiN-Layer in einem vom belgischen Forschungszen-trum Imec in Leuven lizenzierten Prozess epitaxial aufgewachsen wird, zeigt er eine recht dichte Kristallstruktur. Das erfordert spezifische Vorkehrungen für die nachfolgenden Ätzschritte der Verarbeitung.

Die per In-situ-Deposition erzeugten SiN-Filme können einen sub-stanziell niedrigeren Durchlasswiderstand Ron bewirken, etwa um spezielle Baustein-Spezifikationen zu erfüllen. In Schaltanwendungen werden bevorzugt aluminiumhaltige Barriereschichten mit AlGaN/GaN-Strukturen eingesetzt. Dies ergibt höhere piezoelektrische Feldstärken, größere Stromdichten und niedrigere Werte für den Durchlasswiderstand. Der SiN-Capping-Layer sorgt außerdem für günstige Betriebseigenschaften, unter der Annahme, dass das SiN die Oberflächenladungen der AlGaN-Barriereschicht in einem GaN-on-Si-Element so weit reduziert, dass dessen Oberflächenpotenzial nicht mehr zur 2DEG-Verarmung beiträgt. Außerdem sorgt der SiN-Layer für zusätzliche Funktionsstabilität bei erhöhten Betriebstemperaturen.

Ein weiterer Vorteil des SiN-Capping-Layer besteht in der höheren Präsenz und Konzentration von Aluminium ohne signifikante materielle Degradation. In Transistorstrukturen ohne SiN-Versiegelung oder mit AlGaN/GaN-2DEG-Charakteristik und GaN-Versiegelung ist das nicht der Fall. Dabei verhindert die Relaxation des gedehnten oberen AlGaN-Layer einen höheren Anteil von Aluminium im oberen Layer. Mit der SiN-Passivierung wird es möglich, den AlGaN-Layer durch reines AlN zu ersetzen. In einer solchen SiN/AlN/GaN-Auslegung fällt der Schichtwiderstand auf 235 Ω. Hall-Effekt-Messungen belegen, dass die Elektronenkonzentration 2,15 ∙ 1011 cm-2 und die Elektronenmobilität 1250 cm2/Vs beträgt. Diese Werte sind vielversprechend für die Fertigung von Bausteinen mit hoher Transkonduktanz, auch bei relativ großer Gate-Länge.