GaN in Leistungselektronik Imec startet 300-mm-GaN-Programm zur Entwicklung fortschrittlicher Leistungsbausteine

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Das Forschungsinstitut imec hat ein neues Programm für GaN-Leistungselektronik ins Leben gerufen, um 300-mm-GaN-Epi-Wachstum sowie Prozessabläufe für GaN-Hochgeschwindigkeits-Transistoren (HEMT) für Nieder- und Hochspannung zu entwickeln. Erste Partner des Innovationsprogramms sind AIXTRON, Globalfoundries, KLA Corporation, Synopsys und Veeco.

Die aktuelle Markteinführung von GaN-basierenden Schnellladegeräten unterstreicht das Potenzial der GaN-Technologie für Anwendungen in der Leistungselektronik. Dank kontinuierlicher Fortschritte in den Bereichen GaN-Epitaxie, GaN-Baustein- und IC-Fertigung, Zuverlässigkeit und Robustheit sowie Optimierung auf Systemebene ist die GaN-Technologie bereit, eine neue Generation von Leistungselektronikprodukten zu ermöglichen. Diese werden mit kleineren Abmessungen, geringerem Gewicht und höherer Energieumwandlungseffizienz als Si-basierte Lösungen auf den Markt kommen. Beispiele hierfür sind Bordladegeräte und DC/DC-Wandler für Automobilanwendungen, Wechselrichter für Solaranlagen und Stromverteilungssysteme für Telekommunikations- und KI-Rechenzentren – Bereiche, in denen GaN-basierte Bausteine zur allgemeinen Dekarbonisierung, Elektrifizierung und Digitalisierung der Gesellschaft beitragen.

Ein Trend in der GaN-Technologieentwicklung ist der Übergang zu größeren Waferdurchmessern, wobei die Kapazitäten derzeit überwiegend auf 200 mm verfügbar sind. Mit der Einführung seines 300-mm-GaN-Programms geht Imec den nächsten Schritt und baut auf seinem 200-mm-Know-how auf.

„Die Vorteile der Umstellung auf 300-mm-Wafer gehen über die Steigerung der Produktionskapazität und die Senkung der Herstellungskosten hinaus, sagt Stefaan Decoutere, Fellow und Programmdirektor des GaN-Leistungselektronikprogramms bei Imec. „Unsere CMOS-kompatible GaN-Technologie hat nun Zugang zu modernsten 300-mm-Anlagen, die es uns ermöglichen, fortschrittlichere GaN-basierte Leistungsbausteine zu entwickeln.“ Beispiele hierfür sind aggressiv skalierte Niederspannungs-p-GaN-Gate-HEMTs für den Einsatz in Point-of-Load-Wandlern, die eine energieeffiziente Stromverteilung für CPUs und GPUs unterstützen.

Im Rahmen des 300-mm-GaN-Programms wird zunächst eine grundlegende laterale p-GaN-HEMT-Technologieplattform für Niederspannungsanwendungen (100 V und darüber) unter Verwendung von 300 mm Si(111) als Substrat etabliert. Zu diesem Zweck werden derzeit Prozessmodule entwickelt, deren Schwerpunkt auf der p-GaN-Ätzung und der Bildung ohmscher Kontakte liegt. Später sollen dann Hochspannungsanwendungen hinzukommen. Für 650 V und darüber werden 300-mm-Halbleiter-Spezifikationen und CMOS-kompatible QST-Substrate (ein Material mit polykristallinem AlN-Kern) verwendet. Während der Entwicklung stehen die Kontrolle der Wölbung der 300-mm-Wafer und ihre mechanische Festigkeit im Vordergrund.

Der Start des 300-mm-GaN-Programms erfolgt nach erfolgreichen Tests zur Handhabung von 300-mm-Wafern und der Entwicklung von Maskensätzen. Imec geht davon aus, dass bis Ende 2025 die vollständige 300-mm-Ausstattung in seinem 300-mm-Reinraum installiert sein wird. „Der Erfolg der 300-mm-GaN-Entwicklung hängt auch von der Fähigkeit ab, ein robustes Ökosystem aufzubauen und gemeinsam Innovationen voranzutreiben, von der 300-mm-GaN-Herstellung und Prozessintegration bis hin zu Verpackungslösungen“, fügt Stefaan Decoutere hinzu. „Wir freuen uns daher, AIXTRON, Globalfoundries, KLA Corporation, Synopsys und Veeco als erste Partner in unserem offenen F&E-Programm für 300-mm-GaN bekannt zu geben und hoffen, bald weitere Partner begrüßen zu können. Denn die Entwicklung fortschrittlicher GaN-Leistungselektronik erfordert eine enge Verzahnung zwischen Design, Epitaxie, Prozessintegration und Anwendungen – eine Verzahnung, die sich für unsere Pionierarbeit mit 200-mm-GaN als entscheidend erwiesen hat.“ (sg)

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