Imec i AIXTRON prezentują 200-mm epitaksję GaN na AIX G5+ C dla zastosowań 1200 V z przebiciem przy ponad 1800 V

Pionowy prąd upływu bufora w kierunku przewodzenia, mierzony na 1200V GaN-on-QST® przy dwóch różnych temperaturach: (po lewej) 25°C i (po prawej) 150°C. Bufor 1200V od Imec wykazuje pionowy prąd upływu poniżej 1µA/mm² przy 25°C i poniżej 10µA/mm² przy 150°C do napięcia 1200V, z przebiciem powyżej 1800V zarówno przy 25°C, jak i 150°C, co czyni go odpowiednim do obróbki elementów o napięciu 1200V. / 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, weltweit führendes Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, und AIXTRON, führender Anbieter von Beschichtungsanlagen für Verbindungshalbleitermaterialien, haben das epitaktische Wachstum von Galliumnitrid (GaN)-Pufferschichten vorgestellt, die für 1200V-Anwendungen auf 200mm QST®-Substraten qualifiziert sind und einen harten Durchbruch bei über 1800V aufweisen. Die Herstellbarkeit von 1200V-qualifizierten Pufferschichten öffnet die Tür zu GaN-basierten Leistungslösungen mit höchsten Spannungen, wie z.B. Elektroautos, die bisher nur mit Siliziumkarbid (SiC)-Technologie realisiert werden konnten. Das Ergebnis folgt auf die erfolgreiche 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® (im 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 verarbeitet 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 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 verarbeitet, 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.