Fraunhofer-Institut für SiliziumtechnologieFrank Dietz
Neue Ausrüstung für die Entwicklung von vertikalen Galliumnitrid-Leistungsbauelementen
Die Gruppe für Hocheffiziente Leistungstransistoren am Fraunhofer ISIT entwickelt neuartige Leistungsbauelemente. Jahrzehntelang haben diese Leistungsbauelemente Silizium (Si) als Halbleitermaterial verwendet. Vor ein paar Jahren begann unsere Gruppe mit Untersuchungen zur Verwendung von Galliumnitrid (GaN) für die Herstellung von Halbleiterbauelementen. Die Gründe für die Verwendung dieses Materials mit breiter Bandlücke sind die überlegenen Eigenschaften von GaN, wie z.B. eine höhere Schaltgeschwindigkeit und ein verbessertes RDS(on)/VBR(DSS) - Verhältnis, verglichen mit Silizium. Im Fraunhofer-Projekt "Vertigo" werden GaN-basierte Dioden und Transistoren entwickelt. Während des Projekts werden unser Wissen, unsere Technologie und unsere Ausrüstung für die Verarbeitung von Silizium-basierten Leistungsbauelementen zur Arbeitsplattform für die Verarbeitung des neuen Materials.
In diesem Artikel geben wir einen kurzen Statusbericht über die Beschaffung von weiterem spezifischen Equipment für die GaN-Prozessierung, das von der "Forschungsfabrik Mikroelektronik
Deutschland".
Ein Schritt weiter
Stand der Technik von GaN-Bauelementen sind laterale HEMTs (High Electron Mobility Transistor), die den 2D-Elektronengaseffekt nutzen (siehe Abbildung 1a). Das primäre Ziel ist es, das volle Potenzial von GaN-basierten Dioden und Transistoren durch vertikale Bauelementstrukturen freizusetzen (siehe Abbildung 1b). Um die Forderung nach Massenmarkttauglichkeit zu erfüllen, werden die 200-Volt-Bauelemente auf einer am ISIT verfügbaren 200-mm-Plattform entwickelt und gefertigt. Das Wafermaterial besteht aus 3 Schichten: einer Pufferschicht zur atomaren Gitteranpassung, die auf einem Si-Trägerwafer (mit (111)-Oberfläche) abgeschieden wird, gefolgt von einem funktionalen GaN-basierten Schichtsystem. Die 200-mm-Substrate mit Epitaxieschichten werden von externen Lieferanten bezogen und im ISIT-Reinraum verarbeitet.
Zusätzliche Ausrüstung am ISIT für neue GaN-Bauelemente-Plattform
Am Fraunhofer ISIT wird eine Technologieplattform für Leistungsbauelemente auf Basis des III-V-Halbleitermaterials Galliumnitrid (GaN) aufgebaut. Die Entwicklung und Prozessierung neuer Leistungsbauelemente auf Basis von GaN-Epitaxie auf 200 mm (111) Silizium-Wafern findet im Reinraum des Fraunhofer ISIT statt, der ursprünglich für Si-basierte mikroelektromechanische Systeme (MEMS) wie Sensoren, scannende Mikrospiegel und piezoelektrische Systeme ausgestattet und genutzt wird. Für die Entwicklung von vertikalen GaN-Bauelementen wird der bestehende Technologiepark um neue Anlagen und Prozesse erweitert. Die zusätzliche Ausstattung wurde im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts "Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland" beschafft. Sie erweitern die Fähigkeiten des ISIT beim Trocken- und Nassätzen, Reinigen, Tempern und schnellen thermischen Prozessieren sowie bei der elektrischen Charakterisierung der gefertigten Bauteile.
Ein Großteil der Anlagen ist bereits installiert und im Einsatz. Die neuen Anlagen dienen in erster Linie der Vermeidung von Kontaminationen von GaN durch Si und ergänzt Schlüsselprozesse für GaN-basierte Bauelemente, die zu innovativen Forschungs- und Entwicklungsprojekte führen. Mit dieser Perspektive erweitert das Fraunhofer ISIT auch die Möglichkeiten der Bauelementemessung für statische und dynamische Wafer- und Bauelementetests für die neuen III-V-Halbleitern.
