Imec en AIXTRON presenteren 200-mm-GaN-epitaxie op AIX G5+ C voor 1200-V-toepassingen met een doorbraak bij meer dan 1800 V

Verticale bufferlekstroom in doorlaatrichting, gemeten op 1200V GaN-on-QST® bij twee verschillende temperaturen: (links) 25°C en (rechts) 150°C. De 1200V-buffer van Imec toont een verticale lekstroom onder 1µA/mm² bij 25°C en onder 10µA/mm² bij 150°C tot 1200V met een doorbraak van meer dan 1800V, zowel bij 25°C als bij 150°C, waardoor het geschikt is voor de verwerking van 1200V-componenten. / Verticale forward buffer lekstroom gemeten op 1200V GaN-on-QST® bij twee verschillende temperaturen: (links) 25°C en (rechts) 150°C. De 1200V-buffer van Imec toont een verticale lekstroom onder 1µA/mm² bij 25°C en onder 10µA/mm² bij 150°C tot 1200V met een doorbraak van meer dan 1800V, zowel bij 25°C als bij 150°C, wat het geschikt maakt voor de verwerking van 1200V-apparaten.

Imec, een wereldwijd toonaangevend onderzoeks- en innovatiecentrum voor nano-elektronica en digitale technologieën, en AIXTRON, de toonaangevende leverancier van coatingapparatuur voor compound halfgeleider-materialen, hebben de epitaxiale groei van Galliumnitrid (GaN)-pufferschichten geïntroduceerd die geschikt zijn voor 1200V-toepassingen op 200mm QST®-substraten en een harde doorbraakspanning van meer dan 1800V vertonen. De fabricage van 1200V-gekwalificeerde pufferschichten opent de deuren naar GaN-gebaseerde vermogensapplicaties met de hoogste spanningen, zoals elektrische auto's, die voorheen alleen mogelijk waren met een SiC-gebaseerde technologie. Het resultaat volgt op de succesvolle kwalificatie van AIXTRONs volledig automatische G5+ C-systeem voor metallisch-organische chemische dampafzetting (MOCVD) bij imec, België, voor de integratie van de geoptimaliseerde materiaal-epi-stapels.

De Wide-Bandgap-materialen Gallium-Nitrid (GaN) en Silicium-Carbide (SiC) hebben zich bewezen als halfgeleiders van de toekomstige generatie voor toepassingen met een hoog vermogensbehoefte, waarbij silicium (Si) niet voldoende is. De SiC-gebaseerde technologie is de meest volwassen, maar ook de duurste. In de loop der jaren zijn enorme vorderingen gemaakt met de GaN-gebaseerde technologie, die bijvoorbeeld is gegroeid op 200-mm-Si-wafers. Bij imec zijn gekwalificeerde Enhancement-Mode-High-Electron-Mobility-Transistors (HEMTs) en Schottky-diodes gedemonstreerd voor bedrijfsspanningen van 100V, 200V en 650V, wat de weg effende voor toepassingen in massaproductie. Het bereiken van bedrijfsspanningen boven de 650V werd echter bemoeilijkt door de moeilijkheid om voldoende dikke GaN-pufferschichten op 200-mm-wafers te produceren. Daarom blijft SiC tot nu toe de voorkeurs-halfgeleider voor toepassingen tussen 650V en 1200V — waaronder bijvoorbeeld elektrische auto's en hernieuwbare energie.

Voor het eerst hebben imec en AIXTRON de epitaxiale groei van GaN-pufferschichten, geschikt voor 1200V-toepassingen, op 200mm QST® (in SEMI-standaarddikte) substraten bij 25°C en 150°C gedemonstreerd, met een harde doorbraakspanning van meer dan 1800V. Denis Marcon, Senior Business Development Manager bij imec: "GaN kan nu de technologie van keuze worden voor een heel scala aan bedrijfsspanningen van 20V tot 1200V. Omdat deze technologie op grotere wafers in CMOS-fabs met hoge doorvoer kan worden verwerkt, biedt de op GaN gebaseerde vermogens-technologie een significante kostenvoordeel ten opzichte van de systematisch dure SiC-gebaseerde technologie."

De sleutel tot het bereiken van de hoge doorbraakspanning is de zorgvuldige engineering van de complexe epitaxiestapel in combinatie met het gebruik van 200mm QST®-substraten, uitgevoerd in het kader van het IIAP-programma. De CMOS-vriendelijk QST®-substraten van Qromis hebben een thermische uitzettingscoëfficiënt die nauw aansluit bij die van de GaN/AlGaN-epitaxielagen, wat de weg vrijmaakt voor dikkere pufferschichten — en daarmee voor het werken met hogere spanningen.

Dr. Felix Grawert, CEO en President van AIXTRON: "De succesvolle ontwikkeling van imecs 1200V GaN-on-QST® epi-technologie in AIXTRONs MOCVD-reactor is een verdere stap in onze samenwerking met imec. Eerder, na de installatie van de AIXTRON G5+C bij imec, is imecs eigen 200-mm GaN-on-Si-materiaaltechnologie gekwalificeerd op onze G5+ C-hoge-volume productiesysteem. Deze richt zich onder andere op hoogspanningsschakel- en RF-toepassingen en stelt de klant in staat om snel te produceren met vooraf gevalideerde epi-recepten. Met deze nieuwe ontwikkeling zullen we in staat zijn om samen nieuwe markten te betreden." Momenteel worden laterale E-Mode-blokken verwerkt om de prestaties bij 1200V te bewijzen, en wordt gewerkt aan het opschalen van de technologie voor nog hogere spanningsapplicaties. Daarnaast onderzoekt imec ook 8-inch GaN-on-QST® verticale GaN-componenten om het spannings- en stroomgebied van de GaN-gebaseerde technologie verder uit te breiden.