Neue Materialien GaN Galliumnitrid - Vom Konzept zur Realität

Delikates Handling

Eine wesentliche Erschwerung der Fertigung von GaN-Bauelementen besteht im äußerst vorsichtigen Handling der fragilen GaN-on-Si-Wafer im Vergleich zu Silizium-Wafern. GaN-on-Si-Wafer verhalten sich anders in Bezug auf die von ihnen tolerierte mechanische Stressbelastung. Die gewohnten Fab-Prozesse für Silizium müssen deshalb diesem Verhalten angepasst werden. Das epitaxiale Aufwachsen von GaN auf Si induziert einen starken mechanischen Stress wegen der extremen Fehlanpassung der Kristallstrukturen und Temperaturkoeffizienten. Das führt zu unzulässigen Durchbiegungen mit Fehlstellen (cracks) und Brüchen. Mit geeigneten Maßnahmen muss dies unterbunden werden.

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GaN - Neue Materialien verdrängen Leistungshalbleiter aus Silizium

GaN - Neue Materialien verdrängen Leistungshalbleiter aus Silizium

Auch dann ist immer noch eine gewisse residuale Stresslast im GaN-on-Si-Wafer vorhanden. Entsprechend strikt sind die Anforderungen an die Verarbeitungsschritte der Waferbearbeitung. Die Zangen zum Greifen und Halten der Wafer dürfen die Wafer nur von der Rückseite her halten, um Kratzer auf der Oberfläche der aktiven Seite zu verhindern. Dazu werden Vakuumzangen eingesetzt. Auch für das Training der Operatoren gelten höhere Ansprüche. In der Praxis hat sich aber gezeigt, dass alle diese Anforderungen schnell und problemlos zu erfüllen sind.

Eine weitere Änderung für die Fab-Manager besteht in der größeren Dicke der Si-on-GaN-Wafer. Standard-150-mm-Si-Wafer sind 625 oder 675 µm dick, 200-mm-Si-Wafer üblicherweise 725 µm. Im Unterschied dazu sind 150-mm-GaN-on-Si-Epiwafer 670, 800, 1000 oder sogar 1150 µm dick, je nach Durchmesser und der vorgesehenen Anwendungen als Leistungsbausteine mit unterschiedlicher Durchbruchspannung und Stromtragfähigkeit. Deshalb müssen Fab-Werkzeuge und Materialien zur Verarbeitung von Si-Wafern an die größere Dicke der GaN-Epiwafer angepasst werden. Dazu zählen die Photoresists, Stepper und Ätzanlagen, die Photolithographie sowie das Tempern.

Enhancement-Mode-Transistoren

In Bezug auf diskrete MOSFETs, Dioden usw. haben sich zwei hauptsächliche Prinzipien zur Strukturierung von Halbleiterschaltern etabliert: horizontale (laterale) oder vertikale (geschichtete) Strukturen. In vertikal strukturieren Elementen ist der Drain-Anschluss auf der Oberseite der Struktur und der Source-Anschluss an der unteren Seite – oder umgekehrt. Der größte Vorteil dieser Struktur liegt in ihrer Kompaktheit bezogen auf den zu transportierenden Strom.

Unter dieser Perspektive basieren alle gegenwärtig entwickelten und gefertigten GaN-on-Si-Elemente auf dem lateralen Design-Prinzip. Ihre aktiven Flächen sind als horizontale Muster, nicht als vertikale Stacks ausgelegt. Dabei bildet die AlGaN/GaN-Hetero-struktur durch das Auftreten des zweidimensionalen Elektronengases automatisch einen leitenden Kanal aus. Deshalb sind GaN-on-Si-Transistoren vom selbstleitenden (normally on) oder Verarmungstyp (depletion mode). Doch in vielen Industrie- und Konsumanwendungen werden aus Sicherheitsgründen selbstsperrende (enhancement mode) Transistoren gefordert. Als laterale Strukturen sind bei GaN-on-Si-Elementen Gate, Source und Drain nebeneinander angeordnet. Das Bulk-Silizium dient nur als elektrische Masse oder mechanischer Träger, nicht als aktive Elektrode. Dies führt naturgemäß zu größeren Dies als mit Si- und Bulk-GaN-Elementen.

Für GaN-on-Si-Transistoren des Anreicherungstyps sind spezifische Prozesse und Fertigungsschritte erforderlich. Wegen des natürlichen 2DEG-Kanals ist Doping nicht erforderlich. Auch das bedingt unterschiedliche Entwicklungs- und Fertigungsschritte. Allerdings bietet der von EpiGaN eingesetzte SiN-Capping-Layer hier einen weiteren Vorteil: Er lässt sich zur Schaffung eines Anreicherungsmechanismus nutzen. Normalerweise ist bei GaN-on-Si-Transistoren dazu eine besondere Schaltungskonfiguration erforderlich, um den Ein- und Ausgang des Elements elektrisch zu trennen und einen sicheren Betrieb zu ermöglichen. Ein Beispiel dafür ist die Kaskadierung eines Low-Voltage Si-MOSFET vom Anreicherungstyp mit einem High-Voltage GaN-HEMT vom Verarmungstyp. Die Neutralisierung der Oberflächenladungen durch den SiN-Layer ermöglicht nun ein innovatives und praktisches Verfahren für Elemente vom Anreicherungstyp. Sie lassen sich durch die Kombination einer dünnen AlGaN-Barriere mit lokaler Entfernung des SiN unterhalb des Gate erzeugen.

Unter dem Gesichtspunkt wirtschaftlicher Skaleneffekte sind GaN-on-Si-Elemente außerordentlich günstig, denn sie zeigen von Natur aus bessere elektrische Eigenschaften als reine Si-Elemente. Spezifisch gilt dies für den sehr viel niedrigeren Durchlasswiderstand bezogen auf ihre aktive Fläche. Das heißt mit anderen Worten, dass man aus derselben aktiven Fläche viel mehr Leistung extrahieren kann. Der Stromfluss durch ein GaN-Element entspricht dem Vier- bis Fünffachen eines Si-Elements derselben Größe. Entsprechend kleiner kann ein GaN-Element bei gleichem Strom sein.

Die Wärmeableitung folgt denselben Gesetzen. Doch sie involviert einige praktische Besonderheiten: GaN kann sehr viel höheren Betriebstemperaturen widerstehen als Si – 250 °C gegenüber 125 °C. Doch die Wärmeableitung aus einer viel kleineren aktiven Fläche erzeugt ein Problem, das auf geeignete Weise gelöst werden muss. Größere Leistungen aus kleineren Bausteinen verlangen nach spezifischen Kühlmaßnahmen. Das hat natürlich entsprechende Konsequenzen für die Weiterentwicklung der Gehäusetechnik der GaN-Elemente.

Ähnliche Überlegungen gelten für die Gestaltung des On-Chip Interconnect durch die viel höheren Betriebsfrequenzen von Schaltnetzteilen mit GaN-Bausteinen; diese liegen um 500 kHz und höher. Das verbietet Wirebonding, denn die einzelnen Drähte agieren als parasitäre Induktivitäten – und schmälern damit die intrinsischen Vorteile der Schaltgeschwindigkeit von GaN.

Höhere Schaltgeschwindigkeiten erzwingen in GaN-Leistungssystemen die Umentwicklung der magnetischen Komponenten. Insbesondere gilt dies für Schaltungen zur Leistungsfaktorkorrektur, die meist für Betriebsfrequenzen von 50 kHz optimiert sind. Diese müssen nun auf mindestens 500 kHz umgestellt werden. Es ist noch zu früh, eine große Auswahl von Komponenten dieser Art auf dem Markt zu finden, denn sie erfordern auch neue Kernmaterialien. Die Konsequenz: GaN stellt neben neuen Regeln für passive Komponenten und Materialien auch neue Anforderungen an Packaging, Abschirmung und Kühlung.