Neue Materialien GaN Galliumnitrid - Vom Konzept zur Realität

GaN-Durchbruchspannung: neue Rekorde

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GaN - Neue Materialien verdrängen Leistungshalbleiter aus Silizium

GaN - Neue Materialien verdrängen Leistungshalbleiter aus Silizium

Eine der wichtigsten Fragen bzgl. des Status der GaN-Leistungsbausteine ist ihre immer noch begrenzte Durchbruchspannung. Fast alle gegenwärtig am Markt verfügbaren GaN-Leistungsbausteine sind für 200 V spezifiziert. Das engt sie auf Low-Voltage-Applikationen ein, die unterhalb der von Industriesteuerungen und Anlagen zur Leistungsfaktorkorrektur liegen.

EpiGaN arbeitet derzeit an der Strukturierung von Pufferschichten, die den nächsten Evolutionsschritt der GaN-Halbleiter bringen: Nennspannungen von 600 oder 650 V. Dies ist laut Unternehmen das, was sich Anwender in diesem Stadium der Technik für ihre kommenden Systemdesigns wünschen. Die Pufferschichten sind gut gehütete Geheimnisse. Grundsätzlich gilt: Je dicker sie sind, desto höher ist die mögliche Betriebsspannung. Das ist einer der Gründe, warum die epitaxialen Stacks der GaN-on-Si-Wafer immer dicker werden. EpiGaN verwendet aktuell Puffer mit bis zu 5,5 µm Dicke.

Natürlich sind Nennspannungen um 600 V noch nicht das letzte Wort der GaN-Spezifikation. GaN-on-Si-Bausteine für 1200 V sind bereits in Sicht. Es wird zwar weitere intensive F&E-Anstrengungen erfordern, doch einige akademische Forschungsergebnisse weisen bereits in noch höhere Regionen: auf 1900 V. Dieser Wert wurde kürzlich von Farid Medjdoub und Kollegen am französischen Institut d’Electronique de Microelectronique et de Nanotechnologie am Centre national de la recherche scientifique erreicht.

Die grundsätzliche Idee für höhere Durchbruchspannungen bis zu 2000 V ist das Beseitigen der hauptsächlichen Begrenzung im Layout von GaN-Leistungstransistoren. Sie ist durch das Siliziumsubstrat bedingt. Spannungsdurchbrüche, so Medjdoub in einem Paper, welches in Applied Physics Express 7, 034103, 2014, erschienen ist, treten dann auf, wenn das elektrische Feld zwischen Gate und Drain das unterliegende Silizium erreicht. Dieser Effekt wird meist mit dickeren epitaxialen Pufferschichten bekämpft. Doch dies erzeugt zusätz-lichen mechanischen Stress im Wafer.

Die von ihm vorgeschlagene Lösung ist die selektive Entfernung des Si-Substrats direkt unterhalb der Gate- und Drain-Bereiche, um dort die Akkumulation von Elektronen zwischen Pufferschicht und Si zu verhindern. Die Neuheit des Verfahrens besteht darin, dass dies von der Rückseite des Wafers per Through-Silicon Via geschieht. Auf diese Weise wurden eine hohe Durchbruchspannung von 1900 V sowie ein spezifischer Durchlasswiderstand Ron von 1,6 mΩ/cm2 erzielt, bei einer Gate-Drain-Distanz von 15 µm.

Vergleichbare Resultate mit noch höherer Durchbruchspannung von 2200 V in einem FET mit doppelter AlGaN/GaN/AlGaN-Heterostruktur wurden bereits im Januar 2011 in den IEEE Electron Device Letters von Forschern von IMEC und der Katholieke Universiteit im belgischen Leuven gemeldet. Auch diese Ergebnisse beruhen auf dem selektiven Entfernen des Siliziumsubstrats und optimierten Layer-Transferprozessen.

Dynamischer Durchlasswiderstand

Ein noch nicht endgültig gelöstes Problem bei den heutigen lateral strukturierten GaN-on-Si-Elementen ist der unerwünschte Effekt des sogenannten dynamischen Durchlasswiderstandes (dynamic on-resistance), also dessen unkontrollierter und irreversibler Anstieg unter bestimmten Betriebsbedingungen. Der Effekt führt zu dem in diskreten GaN-Leistungsbausteinen gefürchteten Zusammenbruch des Stromdurchgangs (current collapse). Die Lösung dieses Phänomens erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen den Wafer- und Bauelemente-Herstellern. Auch dabei sind einige nicht veröffentlichte Prozeduren im Spiel.

Weniger kritisch ist der maximale Strom, den GaN-Leistungsbausteine transportieren können. Das ist insofern bedeutsam, als dies ein Wettbewerbsvorteil der heute lagermäßig lieferbaren Siliziumkarbid-Bausteine ist. Die Stromtragfähigkeit von GaN-Elementen ist keine grundsätzliche Einengung. Sie erscheint skalierbar im Verhältnis zur Größe der Bausteine. Gegenwärtig erreichen sie einen Strom von 20 A und es ist realistisch, dass in Zukunft die GaN-Bausteine mit ihren Wettbewerbern aus dem SiC-Lager sowohl in der Spannung wie im Strom gleichziehen werden.