CMOS-kompatible 200-mm-Plattform in GaN

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FAULHABER Antriebssysteme

Heitec AG

ROHM Semiconductor GmbH

Herstellungsverfahren von E-Mode-Bausteinen

Weitere Verbesserungen sind notwendig in der Qualität der Wafer in Bezug auf Defektfreiheit und Uniformität, und auch beim Durchsatz der Toolsets. Die in das R&D-Programm involvierten Equipment-Hersteller nutzen diese Entwicklungsdurchläufe als Lernzyklen zur Optimierung ihrer Hardware mit dem Ziel höheren Durchsatzes und besserer Reproduzierbarkeit.

Auf der genannten IMEC-Plattform werden sowohl Depletion-Mode- als auch Enhancement-Mode-Schaltungen entwickelt. Durch ihr Bauprinzip haben GaN-Leistungsbauelemente eine Normally-on-Charakteristik. Die Herausforderung besteht somit in der Herstellung von Enhancement-Mode-Elementen im Normally-off-Prinzip. Die am Programm teilnehmenden Partner haben dabei den Wunsch formuliert, unterschiedliche E-Mode-Architekturen nebeneinander zu testen. Auf diese Weise wollen sie diejenige mit der besten Erfolgsaussicht identifizieren, um sie zügig in die Fertigung zu überführen (Bild 3).

Kürzlich ist es IMEC gelungen, die ersten funktionsfähigen E-Mode-Transistoren auf der 200-mm-Plattform zu demonstrieren. Für diese Elemente wurde eine MISHEMT-Architektur (Metal Insulator Semiconductor High Electron Mobility Transistor) mit isoliertem Gate einge-setzt, um einen äußerst kleinen Leckstrom zu erzielen. In dieser Architektur wird ein Gate-Dielektrikum zwischen der Metal-Gate-Elektrode und der AlGaN-Barriere eingesetzt, um das Entstehen eines Schottky-Gate-Kontakts zu vermeiden, welcher die maximale Gate-Übersteuerung und den restlichen Rückstrom (reverse leakage current) limitiert. Der maximale Ausgangsstrom der so erzeugten Bauelemente ist 6 A bei VGS = 8 V und VDS = 10 V. Dies demonstriert die Möglichkeit der Fertigung von AlGaN/GaN-MISHEMT-Powerbars mit großem Strom auf 200-mm-Siliziumsubstraten (Bild 4).

Ein Ausblick: Dioden und andere Konzepte

Das gegenwärtige Arbeitsprogramm umfasst auch die Verbesserung der Schlüsselparameter der auf der 200-mm-Technologie basierenden Schaltungen. Zuvor wurden Elemente auf 150-mm-Wafern hergestellt, die einen maximalen Ausgangsstrom von 8 A, eine Durchbruchspannung von 750 V, einen spezifischen On-Widerstand von 2,9 mΩcm² und einen Off-state Drain-Leckstrom von 7 µA bei 600 V aufwiesen. Es sind keine offensichtlichen Hindernisse erkennbar, dass sich diese technologischen Spezifikationen auch mit der 200-mm-Prozesstechnik erzielen lassen.

Als weitere Programmpunkte werden die unterschiedlichen Konzepte für E-Mode-Betrieb untersucht. Alle diese Konzepte werden daraufhin analysiert, welches von ihnen die beste Gesamt-Performance für einen zuverlässigen E-Mode-Betrieb mit großem Strom bei hoher Spannung im Rahmen einer kosteneffektiven industriellen Plattform eröffnet.

Eine weitere Perspektive ist die monolithische Integration von Dioden mit Transistoren in demselben Prozessfluss. Damit wären vollständig monolithische GaN-Lösungen für integrierte Halbbrücken auf einem einzigen Chip möglich. Das reduziert nochmals die Kosten für hoch effiziente DC/DC-Wandler in GaN-Technologie.

* Steve Stoffels, Denis Marcon und

* Stefaan Decoutere sind Mitarbeiter bei IMEC in Heverlee/Belgien.

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