Imec en Aixtron demonstreren 200 mm GaN epi op AIX G5+ C voor 1200V-toepassingen met storing boven 1800V

Nieuws: Microelectronics

29 april 2021

Nano-elektronica-onderzoekscentrum imec uit Leuven, België en fabrikant van depositieapparatuur Aixtron SE uit Herzogenrath, nabij Aken, Duitsland hebben epitaxiale groei aangetoond van galliumnitride (GaN) bufferlagen die geschikt zijn voor 1200V-toepassingen op 200 mm QST-substraten, met een harde afbraak groter dan 1800V. Er wordt aangenomen dat de maakbaarheid van 1200V-gekwalificeerde bufferlagen deuren zal openen naar GaN-gebaseerde energietoepassingen met de hoogste spanning, zoals elektrische voertuigen (EV), voorheen alleen met haalbare op siliciumcarbide (SiC) gebaseerde technologie. Het resultaat komt na de kwalificatie van Aixtron's G5+ C volledig geautomatiseerde metaal-organische chemische dampdepositie (MOCVD) reactor bij imec voor de integratie van de geoptimaliseerde materiaal-epi-stack.

Materialen met een grote bandafstand GaN en SiC hebben hun waarde bewezen als halfgeleiders van de volgende generatie voor energievragende toepassingen waarbij silicium tekortschiet. Op SiC gebaseerde technologie is het meest volwassen, maar ook duurder. In de loop der jaren is er grote vooruitgang geboekt met de op GaN gebaseerde technologie die bijvoorbeeld is gegroeid op siliciumwafels van 200 mm. Bij imec zijn gekwalificeerde ‘Enhancement Mode High-Elektron-Mobility Transistors’ (HEMT’s) en Schottky-diode-vermogensapparaten gedemonstreerd voor bedrijfsspanningsbereiken van 100 V, 200 V en 650 V, wat de weg vrijmaakt voor productietoepassingen met grote volumes. Het bereiken van bedrijfsspanningen hoger dan 650 V wordt echter uitgedaagd door de moeilijkheid om GaN-bufferlagen die dik genoeg zijn op 200 mm-wafels te laten groeien. Daarom blijft SiC tot nu toe de halfgeleider bij uitstek voor 650-1200V-toepassingen – inclusief bijvoorbeeld elektrische voertuigen en hernieuwbare energie.

Voor de eerste keer hebben imec en Aixtron epitaxiale groei aangetoond van GaN-bufferlagen die geschikt zijn voor 1200V-toepassingen op 200 mm QST-substraten (in SEMI-standaarddikte) bij 25°C en 150°C, met een harde afbraak groter dan 1800V.

Grafiek: Verticale voorwaartse bufferlekstroom gemeten op 1200V GaN-op-QST bij twee verschillende temperaturen: (links) 25°C en (rechts) 150°C. De 1200V-buffer van Imec vertoont een verticale lekstroom van minder dan 1 µA/mm2 bij 25°C en onder 10 µA/mm2 bij 150°C tot 1200V met een doorslag van meer dan 1800V zowel bij 25°C als 150°C, waardoor het geschikt is voor de verwerking van 1200V-apparaten.

“GaN kan nu de voorkeurstechnologie worden voor een hele reeks bedrijfsspanningen van 20V tot 1200V”, zegt Denis Marcon, senior business development manager bij imec. “Omdat de energietechnologie op basis van GaN kan worden verwerkt op grotere wafers in CMOS-fabrieken met hoge doorvoer, biedt deze een aanzienlijk kostenvoordeel vergeleken met de intrinsiek dure, op SiC gebaseerde technologie.”

De sleutel tot het bereiken van de hoge doorslagspanning is de zorgvuldige engineering van de complexe epitaxiale materiaalstapel in combinatie met het gebruik van 200 mm QST-substraten, uitgevoerd in het kader van het Imec Industry Affiliation Program (IIAP). De CMOS-fab-vriendelijke QST-substraten van Qromis Inc uit Santa Clara, CA, VS hebben een thermische uitzetting die nauw aansluit bij de thermische uitzetting van de epitaxiale GaN/AlGaN-lagen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor dikkere bufferlagen – en dus werking op hogere spanningen.

“De succesvolle ontwikkeling van imecs 1200V GaN-on-QST epi-technologie in Aixtrons MOCVD-reactor is een volgende stap in onze samenwerking met imec”, zegt Aixtrons CEO en president Dr. Felix Grawert. “Eerder, nadat we Aixtron G5+ C bij imec hadden geïnstalleerd, werd imecs eigen 200 mm GaN-op-Si-materiaaltechnologie gekwalificeerd op ons G5+ C-productieplatform voor grote volumes, gericht op bijvoorbeeld hoogspanningsstroomschakeling en RF-toepassingen en het mogelijk maken van onze klanten om een ​​snelle productiestijging te realiseren door vooraf gevalideerde beschikbare epi-recepten”, voegt hij eraan toe. “Met deze nieuwe prestatie kunnen we gezamenlijk nieuwe markten aanboren.”

Momenteel worden laterale e-mode-apparaten verwerkt om de prestaties van apparaten bij 1200 V te bewijzen, en er worden inspanningen geleverd om de technologie uit te breiden naar toepassingen met nog hogere spanningen. Daarnaast onderzoekt imec ook 8-inch GaN-op-QST verticale GaN-apparaten om het spannings- en stroombereik van GaN-gebaseerde technologie verder uit te breiden.

Zie gerelateerde items:

Imec en Qromis presenteren p-GaN HEMTs op 200 mm CTE-matched substraten

Tags: IMEC Aixtron MOCVD GaN-op-Si

Bezoek: www.aixtron.com

Bezoek: www.imec.be

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