Imec und Aixtron demonstrieren 200-mm-GaN-Epi auf AIX G5+ C für 1200-V-Anwendungen mit Durchbruch über 1800 V

News: Mikroelektronik

29 April 2021

Das Nanoelektronik-Forschungszentrum imec aus Leuven (Belgien) und der Abscheidungsanlagenhersteller Aixtron SE aus Herzogenrath bei Aachen (Deutschland) haben das epitaktische Wachstum von Galliumnitrid (GaN)-Pufferschichten nachgewiesen, die für 1200-V-Anwendungen auf 200-mm-QST-Substraten geeignet sind, mit einem harten Durchbruch über 1800 V. Es wird davon ausgegangen, dass die Herstellbarkeit von 1200-V-geeigneten Pufferschichten die Türen zu GaN-basierten Leistungsanwendungen mit höchster Spannung wie Elektrofahrzeugen (EV) öffnen wird, die bisher nur mit Siliziumkarbid (SiC)-basierter Technologie realisierbar waren. Das Ergebnis kommt nach der Qualifizierung des vollautomatischen metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidungsreaktors (MOCVD) G5+ C von Aixtron bei imec für die Integration des optimierten Material-Epi-Stacks.

Die Materialien GaN und SiC mit großer Bandlücke haben sich als Halbleiter der nächsten Generation für energieintensive Anwendungen bewährt, bei denen Silizium nicht ausreicht. Die SiC-basierte Technologie ist am ausgereiftesten, aber auch teurer. Im Laufe der Jahre wurden beispielsweise große Fortschritte bei der GaN-basierten Technologie gemacht, die beispielsweise auf 200-mm-Siliziumwafern gewachsen ist. Bei imec wurden qualifizierte Enhancement-Mode-Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (HEMTs) und Schottky-Dioden-Leistungsbauelemente für Betriebsspannungsbereiche von 100 V, 200 V und 650 V demonstriert, die den Weg für Anwendungen in der Massenfertigung ebnen. Das Erreichen von Betriebsspannungen über 650 V wurde jedoch durch die Schwierigkeit erschwert, ausreichend dicke GaN-Pufferschichten auf 200-mm-Wafern aufzubauen. Daher bleibt SiC bislang der Halbleiter der Wahl für 650-1200-V-Anwendungen – darunter beispielsweise Elektrofahrzeuge und erneuerbare Energien.

Zum ersten Mal haben imec und Aixtron das epitaktische Wachstum von GaN-Pufferschichten demonstriert, die für 1200-V-Anwendungen auf 200-mm-QST-Substraten (in SEMI-Standarddicke) bei 25 °C und 150 °C geeignet sind, mit einem harten Durchbruch über 1800 V.

Grafik: Vertikaler Vorwärtspuffer-Leckstrom, gemessen an 1200 V GaN-on-QST bei zwei verschiedenen Temperaturen: (links) 25 °C und (rechts) 150 °C. Der 1200-V-Puffer von Imec weist einen vertikalen Leckstrom von unter 1 µA/mm auf2 bei 25°C und unter 10µA/mm2 bei 150 °C bis zu 1200 V mit einem Durchbruch über 1800 V sowohl bei 25 °C als auch bei 150 °C, wodurch es für die Verarbeitung von 1200 V-Geräten geeignet ist.

„GaN kann jetzt zur Technologie der Wahl für eine ganze Reihe von Betriebsspannungen von 20 V bis 1200 V werden“, sagt Denis Marcon, Senior Business Development Manager bei imec. „Da die GaN-basierte Leistungstechnologie auf größeren Wafern in CMOS-Fabriken mit hohem Durchsatz verarbeitet werden kann, bietet sie einen erheblichen Kostenvorteil im Vergleich zur an sich teuren SiC-basierten Technologie.“

Der Schlüssel zum Erreichen der hohen Durchbruchspannung ist die sorgfältige Konstruktion des komplexen epitaktischen Materialstapels in Kombination mit der Verwendung von 200-mm-QST-Substraten, die im Rahmen des Imec Industry Affiliation Program (IIAP) durchgeführt wird. Die CMOS-fertigungsfreundlichen QST-Substrate von Qromis Inc aus Santa Clara, Kalifornien, USA, weisen eine Wärmeausdehnung auf, die der Wärmeausdehnung der GaN/AlGaN-Epitaxieschichten sehr nahe kommt, und ebnen so den Weg für dickere Pufferschichten – und damit einen Betrieb mit höherer Spannung.

„Die erfolgreiche Entwicklung der 1200-V-GaN-on-QST-Epi-Technologie von imec in den MOCVD-Reaktor von Aixtron ist ein nächster Schritt in unserer Zusammenarbeit mit imec“, sagt Dr. Felix Grawert, CEO und Präsident von Aixtron. „Zuvor, nachdem wir Aixtron G5+ C in den Anlagen von imec installiert hatten, wurde imecs proprietäre 200-mm-GaN-on-Si-Materialtechnologie auf unserer G5+ C-Hochserienfertigungsplattform qualifiziert, die beispielsweise auf Hochspannungs-Leistungsschalt- und HF-Anwendungen abzielt und unseren Kunden ermöglicht um einen schnellen Produktionshochlauf durch vorab validierte verfügbare Epi-Rezepte zu erreichen“, fügt er hinzu. „Mit dieser neuen Errungenschaft können wir gemeinsam neue Märkte erschließen.“

Derzeit werden laterale E-Mode-Geräte verarbeitet, um die Geräteleistung bei 1200 V zu beweisen, und es werden weiterhin Anstrengungen unternommen, die Technologie auf Anwendungen mit noch höheren Spannungen auszudehnen. Darüber hinaus erforscht imec auch vertikale 8-Zoll-GaN-on-QST-GaN-Geräte, um den Spannungs- und Strombereich der GaN-basierten Technologie weiter zu erweitern.

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Stichworte: IMEC Aixtron MOCVD GaN-auf-Si

Besuchen Sie: www.aixtron.com

Besuchen Sie: www.imec.be

Quelle: http://www.semiconductor-today.com/news_items/2021/apr/aixtron-imec-290421.shtml