Vertikale GaN-Leistungshalbleiter auf 8“ Substraten

Unser Angebot

Das Fraunhofer ISIT konzentriert sich auf vertikale GaN-Leistungsbauelemente, insbesondere auf fortschrittliche Transistor- und Diodenkonzepte mit Sperrspannungen von einigen 100 V und Schaltgeschwindigkeiten bis in den ns-Bereich. Die anwendungsspezifischen Chipdesigns und Prozesse werden durch professionelle Simulationssoftware unterstützt. Die speziellen Waferanlagen am ISIT ermöglichen die Verarbeitung von Bulk-GaN-Material mit begrenztem Waferdurchmesser sowie 8" GaN-on-Si EPI-Wafer und die anschließende elektrische Charakterisierung. Da die GaN-Prozesslinie in einen professionellen MEMS-Reinraum integriert ist, können neuartige Fertigungsansätze und unkonventionelle Materialien genutzt werden, um innovative Bauelemente und Integrationskonzepte zu erforschen.

Neuester Stand der Technik

Abbildung 1a: Schematische Darstellung eines lateralen GaN-HEMT-Bauelements; rote Pfeile zeigen den Strompfad.

Jahrzehntelang wurde für diese Leistungsgeräte Silizium (Si) als Halbleitermaterial verwendet. Vor einigen Jahren begann unsere Gruppe, die Verwendung von Galliumnitrid (GaN) für die Herstellung von Halbleiterbauelementen zu untersuchen. Der Grund für die Verwendung dieses Materials mit breiter Bandlücke sind die überlegenen Eigenschaften von GaN, wie z. B. die höhere Schaltgeschwindigkeit und das bessere Verhältnis von RDS(on)/VBR(DSS) im Vergleich zu Silizium.

Der Stand der Technik bei GaN-Bauelementen sind laterale HEMTs (High Electron Mobility Transistor), die den 2D-Elektronengaseffekt nutzen (siehe Abbildung 1a). Dadurch ist der Strompfad auf die Oberfläche des Bauelements beschränkt, wodurch das volle Potenzial von GaN nicht genutzt werden kann.

Abbildung 1b: Schematische Darstellung der vertikalen GaN-Bauelemente; rote Pfeile zeigen den Strompfad.

Das primäre Ziel ist es, das volle Potenzial von GaN-basierten Dioden und Transistoren durch vertikale Bauelementstrukturen zu erschließen (siehe Abbildung 1b). Um die Voraussetzungen für eine Massenmarkttauglichkeit zu erfüllen, sind die neuartigen Bauelemente für den Spannungsbereich bis 600 V ausgelegt und werden auf einer am ISIT eingerichteten 200-mm-Prozessplattform hergestellt. Das Wafermaterial besteht aus 3 Schichten: einer Pufferschicht, 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-Bauelementplattform

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

Am Fraunhofer ISIT wird eine Technologieplattform für Leistungsbauelemente auf der Basis des III-V-Halbleitermaterials Galliumnitrid (GaN) aufgebaut. Die Entwicklung und Prozessierung neuer Leistungsbauelemente auf der Basis von GaN-Epitaxie auf 200 mm (111) Silizium-Wafern wird im Reinraum des Fraunhofer ISIT stattfinden, der ursprünglich für Si-basierte mikroelektromechanische Systeme (MEMS) wie Sensoren, scannende Mikrospiegel und piezoelektrische Systeme ausgestattet ist und genutzt wird. Für die Entwicklung von vertikalen GaN-Bauelementen wird der bestehende Technologiepark um neue Anlagen und Prozesse ergänzt. Die zusätzlichen Anlagen wurden im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts "Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland" beschafft. Sie erweitern die Fähigkeiten des ISIT beim Trocken- und Nassätzen, Reinigen, Ausglühen und der schnellen thermischen Verarbeitung sowie bei der elektrischen Charakterisierung der hergestellten Bauelemente.

Ein Großteil der Anlagen ist bereits installiert und in Betrieb. Die neuen Anlagen dienen in erster Linie dazu, die Kontamination von GaN durch Si zu vermeiden und Schlüsselprozesse für GaN-basierte Bauelemente zu ergänzen, die zu innovativen Forschungs- und Entwicklungsprojekten 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-Halbleiter.

Ihre Vorteile auf einen Blick

GaN-Verarbeitungstechnologie und Bauelementplattform

  • Anwendungsspezifische Entwicklung von Dioden und Transistoren
  • Anpassung und Optimierung von Bauelementen entsprechend den Kundenanforderungen
  • Proof-of-Concept-Fertigung auf einer 200-mm-Prozesslinie
  • Prozess- und Bauelementsimulation, Tests und Bauelementzuverlässigkeit

Integrierte Mikroinduktoren mit Magnetkern durch Pulver-MEMS-Technologie

  • Kundenspezifische integrierte Induktivitäten auf PCB und Silizium
  • Integrierte Lösungen mit Leistungsbauelementen
  • Simulationsbasiertes Design und kombiniertes Kühlsystem

Hocheffiziente Leistungstransistoren

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