Imec und AIXTRON präsentieren 200-mm-GaN-Epitaxie auf AIX G5+ C für 1200-V-Anwendungen mit einem Breakdown bei über 1800 V

Vertikaler Pufferleckstrom in Durchlassrichtung, gemessen an 1200V GaN-on-QST® bei zwei verschiedenen Temperaturen: (links) 25°C und (rechts) 150°C. Der 1200V-Puffer von Imec zeigt einen vertikalen Leckstrom unter 1µA/mm2 bei 25°C und unter 10µA/mm2 bei 150°C bis zu 1200V mit einem Durchbruch von über 1800V sowohl bei 25°C als auch bei 150°C, was ihn für die Verarbeitung von 1200V-Bauteilen geeignet macht. / Vertical forward buffer leakage current measured on 1200V GaN-on-QST® at two different temperatures: (left) 25°C and (right) 150°C. Imec’s 1200V buffer shows vertical leakage current below 1µA/mm2 at 25°C and below 10µA/mm2 at 150°C up to 1200V with a breakdown in excess of 1800V both at 25°C and 150°C, which makes it suitable for the processing of 1200V devices.

Imec, ein weltweit führendes Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, und AIXTRON, der führende Anbieter von Beschichtungsanlagen für Verbindungshalbleiter-Materialien, haben das epitaktische Wachstum von Galliumnitrid (GaN)-Pufferschichten vorgestellt, die für 1200V-Anwendungen auf 200mm QST®-Substraten qualifiziert sind und einen harten Breakdown bei über 1800V aufweisen. Die Herstellbarkeit von 1200V-qualifizierten Pufferschichten öffnet die Türen zu GaN-basierten Leistungsanwendungen mit höchsten Spannungen, wie z.B. Elektroautos, die bisher nur mit einer Siliziumkarbid (SiC)-basierten Technologie möglich waren. Das Ergebnis kommt nach der erfolgreichen Qualifizierung von AIXTRONs vollautomatischer G5+ C-Anlage zur metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) bei imec, Belgien, für die Integration des optimierten Material-Epi-Stacks.

Die Wide-Bandgap Materialien Gallium-Nitrid (GaN) und Silizium-Karbid (SiC) haben sich als Halbleiter der zukünftigen Generation für Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf bewährt, bei denen Silizium (Si) nicht ausreicht. Die SiC-basierte Technologie ist die ausgereifteste, aber auch die teuerste. Im Laufe der Jahre wurden enorme Fortschritte bei der GaN-basierten Technologie gemacht, die zum Beispiel auf 200-mm-Si-Wafern gewachsen ist. Bei imec wurden qualifizierte Enhancement-Mode-High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs) und Schottky-Dioden für Betriebsspannungen von 100V, 200V und 650V demonstriert, was den Weg für Anwendungen in der Großserienfertigung ebnete. Das Erreichen von Betriebsspannungen jenseits von 650 V wurde jedoch durch die Schwierigkeit erschwert, ausreichend dicke GaN-Pufferschichten auf 200-mm-Wafern zu erzeugen. Daher bleibt SiC bis jetzt der Halbleiter der Wahl für Anwendungen von 650-1200V - darunter zum Beispiel Elektroautos und erneuerbare Energien.

Erstmals haben imec und AIXTRON das epitaktische Wachstum von GaN-Pufferschichten, die für 1200V-Anwendungen qualifiziert sind, auf 200mm QST® (in SEMI-Standarddicke) Substraten bei 25°C und 150°C demonstriert, mit einem harten Breakdown jenseits von 1800V. Denis Marcon, Senior Business Development Manager bei imec: "GaN kann jetzt die Technologie der Wahl für einen ganzen Bereich von Betriebsspannungen von 20V bis 1200V werden. Da diese Technologie auf größeren Wafern in CMOS-Fabs mit hohem Durchsatz prozessiert werden kann, bietet die auf GaN basierende Leistungstechnologie einen signifikanten Kostenvorteil gegenüber der systembedingt teuren SiC-basierten Technologie."

Der Schlüssel zum Erreichen der hohen Durchbruchsspannung ist das sorgfältige Engineering des komplexen Epitaxie-Materialstapels in Kombination mit der Verwendung von 200mm QST®-Substraten, die im Rahmen des IIAP-Programms ausgeführt wurden. Die CMOS-Fab-freundlichen QST®-Substrate von Qromis haben eine thermische Dehnungsrate, die eng mit der Ausdehnungsrate der GaN/AlGaN-Epitaxieschichten übereinstimmt, was den Weg für dickere Pufferschichten ebnet - und damit den Betrieb mit höheren Spannungen.

Dr. Felix Grawert, CEO und Präsident von AIXTRON "Die erfolgreiche Entwicklung von imecs 1200V GaN-on-QST® Epi-Technologie in AIXTRONs MOCVD-Reaktor ist ein weiterer Schritt in unserer Zusammenarbeit mit imec. Zuvor, nach der Installation der AIXTRON G5+C bei imec, wurde imecs proprietäre 200-mm-GaN-on-Si-Materialien-Technologie auf unserer G5+ C-Hochvolumen-Produktionsplattform qualifiziert. Sie zielt zum Beispiel auf Hochspannungs-Schalt- und HF-Anwendungen ab und ermöglicht dem Kunden einen schnellen Produktionshochlauf durch vorvalidierte verfügbare Epi-Rezepte. Mit dieser neuen Entwicklung werden wir in der Lage sein, gemeinsam neue Märkte zu erschließen." Derzeit werden laterale E-Mode-Bausteine prozessiert, um die Bausteinleistung bei 1200 V zu beweisen, und es wird daran gearbeitet, die Technologie auf noch höhere Spannungsanwendungen auszuweiten. Daneben erforscht imec auch 8-Zoll GaN-on-QST® vertikale GaN-Bauelemente, um den Spannungs- und Strombereich der GaN-basierten Technologie weiter zu erweitern.