Imec e AIXTRON presentano epitassia GaN da 200 mm su AIX G5+ C per applicazioni da 1200 V con una tensione di breakdown superiore a 1800 V

Corrente di perdita di buffer verticale in direzione di passaggio, misurata su 1200V GaN-on-QST® a due temperature diverse: (sinistra) 25°C e (destra) 150°C. Il buffer da 1200V di Imec mostra una corrente di perdita verticale inferiore a 1µA/mm² a 25°C e inferiore a 10µA/mm² a 150°C fino a 1200V con una tensione di breakdown superiore a 1800V sia a 25°C che a 150°C, rendendolo adatto alla lavorazione di dispositivi da 1200V.

Imec, un centro di ricerca e innovazione leader a livello mondiale nel campo della nanoelettronica e delle tecnologie digitali, e AIXTRON, il principale fornitore di sistemi di deposizione per materiali semiconduttori di potenza, hanno presentato la crescita epitassiale di strati di buffer di nitruro di gallio (GaN), qualificati per applicazioni a 1200V su substrati QST® da 200 mm e con una rottura dura superiore a 1800V. La producibilità di strati di buffer qualificati per 1200V apre le porte a applicazioni di potenza basate su GaN con tensioni più elevate, come ad esempio le auto elettriche, finora possibili solo con una tecnologia a base di carburo di silicio (SiC). Il risultato arriva dopo la qualificazione con successo del sistema completamente automatico G5+ C di AIXTRON per la deposizione chimica da fase vapore organica metallorganica (MOCVD) presso imec, in Belgio, per l'integrazione dell'epitassiale ottimizzato del materiale.

I materiali a banda larga di gap di Gallio-Nitrido (GaN) e di Carburo di Silicio (SiC) si sono dimostrati semiconduttori di futura generazione per applicazioni ad alta potenza, dove il silicio (Si) non è sufficiente. La tecnologia a base di SiC è la più matura, ma anche la più costosa. Nel corso degli anni sono stati fatti enormi progressi nella tecnologia basata su GaN, che ad esempio è cresciuta su wafer di Si da 200 mm. Presso imec sono stati dimostrati transistor ad alta mobilità di elettroni (HEMT) in modalità enhancement e diodi Schottky per tensioni operative di 100V, 200V e 650V, aprendo la strada a applicazioni in produzione di massa. Tuttavia, il raggiungimento di tensioni operative oltre i 650 V è stato ostacolato dalla difficoltà di produrre strati di buffer di GaN sufficientemente spessi su wafer da 200 mm. Pertanto, fino ad ora, il SiC rimane il semiconduttore preferito per applicazioni tra 650V e 1200V, come ad esempio le auto elettriche e le energie rinnovabili.

Per la prima volta, imec e AIXTRON hanno dimostrato la crescita epitassiale di strati di buffer di GaN qualificati per applicazioni a 1200V su substrati QST® da 200 mm (in spessore standard SEMI) a 25°C e 150°C, con una rottura dura oltre 1800V. Denis Marcon, Senior Business Development Manager presso imec: "Ora il GaN può diventare la tecnologia di scelta per un intervallo completo di tensioni operative da 20V a 1200V. Poiché questa tecnologia può essere processata su wafer più grandi in fasi CMOS ad alto rendimento, la tecnologia di potenza basata su GaN offre un vantaggio di costo significativo rispetto alla tecnologia a base di SiC, che è intrinsecamente più costosa."

La chiave per raggiungere alte tensioni di rottura è una progettazione accurata del complesso stack di materiali epitassiali, combinata con l'uso di substrati QST® da 200 mm, realizzati nell'ambito del programma IIAP. I substrati QST® di Qromis, compatibili con le fasi CMOS, hanno un coefficiente di espansione termica molto vicino a quello degli strati epitassiali di GaN/AlGaN, facilitando la crescita di strati di buffer più spessi e consentendo il funzionamento a tensioni più elevate.

Il Dr. Felix Grawert, CEO e Presidente di AIXTRON: "Lo sviluppo di successo della tecnologia epitassiale GaN-on-QST® a 1200V di imec nel reattore MOCVD di AIXTRON rappresenta un ulteriore passo avanti nella nostra collaborazione con imec. In precedenza, dopo l'installazione del sistema G5+C di AIXTRON presso imec, la tecnologia proprietaria di materiali GaN-on-Si da 200 mm di imec è stata qualificata sulla nostra piattaforma di produzione ad alto volume G5+ C. Questa tecnologia è rivolta, ad esempio, a applicazioni di commutazione ad alta tensione e RF, e permette ai clienti di accelerare la produzione grazie a ricette epitassiali pre-validate e disponibili. Con questa nuova evoluzione, saremo in grado di esplorare nuovi mercati insieme." Attualmente, si stanno processando moduli E-Mode laterali per dimostrare le prestazioni a 1200 V, e si sta lavorando per estendere la tecnologia a tensioni ancora più elevate. Inoltre, imec sta studiando dispositivi verticali GaN-on-QST® a 8 pollici per ampliare ulteriormente l'intervallo di tensione e corrente della tecnologia basata su GaN.