Fraunhofer ISIT präsentiert hocheffiziente GaN Bauelemente auf 200 mm Wafern für die Informationstechnologie

Presseinformation / 22.10.2018

Die Energiekosten von Rechenzentren sind durch die stetig wachsende Nutzung von Cloud Computing, Big Data und Industrie 4.0 in den vergangenen Jahren enorm angestiegen. So ist beispielsweise einer der Kostentreiber im Betrieb von Rechenzentren die Umwandlung von elektrischer Energie mit Strom-Wandlern im Niederspannungsbereich unter 200 V. Das Fraunhofer ISIT entwickelt für diese Anwendungen Dioden und Transistoren auf Basis des Halbleitermaterials Galliumnitrid (GaN) und zeigt auf der electronica 2018 erste Ergebnisse. Die neuen Bauteile sollen die Verluste bei der Spanungswandlung um bis zu 50% reduzieren. Die vorgestellten GaN-Dioden mit einer Sperrspannung von 160 V entstanden in einem Verbundprojekt, an dem sich vier Fraunhofer-Institute beteiligten.

200 mm- und 100 mm GaN-Wafer mit Teststrukturen für die Prozessentwicklung

GaN-Dioden im Waferverbund. Sperrspannung 160 V

GaN ist für die Leistungselektronik das Material der Zukunft. Es bietet gegenüber dem Silizium eine ganze Reihe von Vorteilen. So zeichnet sich das Material durch eine 10-fach höhere kritische elektrische Feldstärke aus, die die Fertigung von elektronischen Bauteilen mit deutlich verbessertem Schaltverhalten, geringeren Bauelementkapazitäten, niedrigeren Verlusten und Wärmeabgabe möglich macht.

Auch wenn der neue Werkstoff deutlich leistungsfähiger als Silizium ist, gibt es noch einige Probleme zu lösen. GaN ist zum einen noch deutlich teurer und zum anderen wesentlich schwieriger zu bearbeiten. Dennoch gehen die ISIT-Entwickler davon aus, dass GaN in wenigen Jahren Silizium als Baustoff in der Leistungselektronik ablösen wird.

Aus diesem Grund hat das Fraunhofer ISIT im vergangenen Jahr im Rahmen des BMBF-Projektes „Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland“ eine bestehende 200 mm Silizium Fertigungslinie für die Entwicklung von Bauelementen auf Basis von 200 mm GaN-on-Si Wafern umgerüstet und Prozesstechnologien für diese Wafer entwickelt. Die hybrid aufgebauten Wafer, bestehend aus Silizium mit einer GaN Oberfläche für Schottky-Dioden und MOS-Transistoren sind bisher noch nicht industriell verfügbar. ISIT-Wissenschaftler Prof. Holger Kapels und seine Kollegen beziehen sie deswegen von ihren Kollegen vom Fraunhofer IAF in Freiburg.

Die ISIT-Forscher arbeiten nicht nur an Prozesstechnologien, sondern experimentieren auch an neuen Bauelement-Architekturen. «Aktuelle Halbleiter auf Basis von Galliumnitrid verfügen über sogenannte laterale Strukturen, bei denen der Strom nur an der Oberfläche fließe», sagt Kapels. «Wenn der Strom aber vertikal fließt, nutzt er das Material viel besser aus.» Bisher verhindern notwendige elektrisch isolierenden Anpassungsschichten bei der Herstellung von GaN-on-Si-Wafern ein inhärentes vertikales Bauelementdesign. Daher haben die Forscher zunächst Bauelemente entwickelt, die den Strom wieder an die Oberfläche des Wafers zurückführen; sie bezeichnen sie als „quasi-vertikal“. Daneben arbeitet das Fraunhofer ISIT an Verfahren, um trotz der isolierenden Schichten einen nahezu homogenen vertikalen Stromfluss zu ermöglichen.

Neben den Dioden haben Prof. Holger Kapels und sein Team weitere neue Entwicklungen im Köcher. Der erste GaN-basierte MOS-Transistor soll bereits im ersten Quartal des kommenden Jahres fertig gestellt sein.