VerGaN: Erforschung von Integrationstechnologien für vertikale Leistungstransistoren auf Basis von Galliumnitrid

Mit dem Forschungsprojekt „VerGaN“ im Rahmen von Forschung für neue Mikroelektronik (ForMikro 2.0) treibt das Fraunhofer ISIT gemeinsam mit starken Partnern die Entwicklung einer neuen Generation von Leistungshalbleitern voran. Ziel ist die Erforschung und Integration vertikaler Leistungstransistoren auf Basis von Galliumnitrid (GaN), die insbesondere in leistungselektronischen Wandlern, dem Herzstück moderner Energie- und Antriebssysteme eingesetzt werden können. Die Technologie verspricht eine Effizienzsteigerungen und ist damit ein wichtiger Baustein für die Energiewende sowie zukünftige elektrische Antriebskonzepte, etwa in der Automobilindustrie.

Leistungselektronische Systeme basieren bislang überwiegend auf Silizium-Halbleitern. In den letzten Jahren haben jedoch Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) und insbesondere Galliumnitrid zunehmend an Bedeutung gewonnen. GaN zeichnet sich durch hervorragende elektrische Eigenschaften aus, die höhere Schaltgeschwindigkeiten und geringere Verluste ermöglichen. Bisher sind jedoch hauptsächlich sogenannte laterale Bauelemente verfügbar, die in ihrer Leistungsfähigkeit begrenzt sind.

Hier setzt das Projekt VerGaN an: Durch die Entwicklung vertikaler Leistungstransistoren auf Basis der innovativen GaN-on-QST-Technologie (Qromis Substrate Technology) wird ein Durchbruch in Effizienz und Nachhaltigkeit angestrebt. Diese neuartigen Bauelemente reduzieren sowohl Durchlass- als auch Schaltverluste deutlich und ermöglichen zugleich den Zugang zu höheren Spannungsklassen im Bereich von 650 bis 1200 Volt und darüber hinaus. Besonders hervorzuheben ist die Fähigkeit, durch extrem schnelle Schaltvorgänge die Schaltverluste signifikant zu minimieren, was einen entscheidenden Vorteil gegenüber bestehenden Technologien darstellt.

Um dieses Potenzial voll auszuschöpfen, untersucht das Projekt nicht nur die Halbleiter selbst, sondern auch deren Einbettung in Module und Systeme. Die hohen Schaltgeschwindigkeiten von GaN erfordern eine besonders enge Integration zwischen Treiber und Leistungshalbleiter, weshalb im Projekt neue Integrationskonzepte entwickelt werden. Ebenso spielen Effekte wie Streuinduktivität und Streukapazität eine zentrale Rolle, da sie die Leistungsfähigkeit maßgeblich beeinflussen.

Das Projekt verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz: Von der Chipentwicklung über das Moduldesign bis hin zur Auslegung der Endstufe werden alle wesentlichen Aspekte berücksichtigt. Ziel ist es, ein leistungsfähiges und zugleich industriell skalierbares System zu entwickeln. Konkret soll ein Leistungsmodulkonzept entstehen, das die derzeit üblichen 150 Ampere in der 650-Volt-Klasse deutlich übertrifft und gleichzeitig für zukünftige Fahrzeugarchitekturen im 800-Volt-Bereich geeignet ist.

Ein zentraler Meilenstein wurde bereits erreicht: In einer umfassenden Konzeptions- und Simulationsphase wurden die grundlegenden physikalischen und elektrischen Parameter definiert und optimiert. Darauf aufbauend wurde eine detaillierte Prozessentwicklung mit rund 290 Einzelschritten erarbeitet, die sowohl die Vorderseitenprozessierung, also die Herstellung der MOS-Struktur, als auch die Rückseitenprozessierung umfasst. Ziel ist ein vollständig funktionsfähiger Chip, der den hohen Anforderungen zukünftiger Anwendungen gerecht wird.

Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass alle relevanten Prozessschritte erfolgreich umgesetzt werden konnten. Dies ist nicht zuletzt auf die langjährige Expertise des Fraunhofer ISIT im Bereich der GaN-Leistungshalbleiter sowie auf das Know-how in der MEMS-Technologie zurückzuführen. Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit mit der HAW Kiel sowie den Industriepartnern Volkswagen und Semikron Danfoss durchgeführt. Beide Unternehmen wurden frühzeitig in die Definition der Anforderungen eingebunden und stellen sicher, dass die entwickelten Technologien praxisnah und anwendungsorientiert sind.

Mit Blick auf die zweite Projektphase ist VerGaN hervorragend aufgestellt: Die ersten vertikalen GaN-Leistungshalbleiter stehen kurz vor der Verfügbarkeit, während die notwendigen Testumgebungen bereits vorbereitet werden. Damit können die neuen Chips zeitnah in realitätsnahen Anwendungen erprobt werden.