GaN-Leistungshalbleiter Infineon fährt 300-mm-GaN-Produktion in Villach hoch

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Es ist ein Meilenstein in der Fertigung von GaN-Leistungshalbleitern: Infineon hat in der Power-Fab im österreichischen Villach die Serienproduktion hochgefahren. Damit sind die Power-Spezialisten weltweit die ersten, die eine vollautomatisierte Hochvolumenfertigung auf 12-Zoll-Wafern beherrschen.

Im September vergangenen Jahres verkündete Infineon, dass es gelungen sei, 300-mm-GaN-Wafer (12 Zoll) auf einer integrierten Pilotlinie in der bestehenden 300-mm-Siliziumproduktion in der Power-Fab in Villach (Österreich) herzustellen. Nach 12 Monaten, im vierten Quartal 2025, ist die skalierte Fertigung hochgefahren und erste Muster werden an Kunden ausgeliefert. Man liege voll im Zeitplan, verkündet Johannes Schoiswohl, SVP & GM GaN-Systems bei Infineons Power Fab im Villach, stolz.

Infineon ist damit das erste Unternehmen weltweit, das die 12-Zoll-Wafer-Technologie in einer bestehenden Hochvolumenfertigung beherrscht. Mit diesem Durchbruch rüsten sich die Leistungselektronik-Spezialisten für höhere Produktionskapazitäten, die absehbar sind. Der Umsatz mit GaN-Halbleitern für Leistungsanwendungen soll bis 2030 um 36 Prozent pro Jahr auf etwa 2,5 Milliarden US-Dollar steigen.

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GaN-Bausteine bieten gegenüber SiC einige Vorteile, dazu zählen höhere Schaltfrequenzen, eine höhere Leistungsdichte, weniger Energieverluste und kleinere Formfaktoren. Die Prozessierung von GaN-Bausteinen auf 300-mm-Wafern ermöglicht eine etwa doppelt so hohe Produktionskapazität und damit eine schnellere Lieferung hochwertiger GaN-Bausteine. Das ist für kompakte Anwendungen mit höherer Leistungsdichte und Schaltfrequenz in Robotik, Rechenzentren und Automotive wichtig.

Infineon will so nicht nur seine Position im Markt stärken, sondern auch seine Kundenbasis erweitern – nach dem GaN-Ausstieg von TSMC sicher interessant. Ebenfalls unter dem Aspekt, dass China derzeit rund 98 Prozent der weltweiten Versorgung mit Galliumnitrid-Halbleitern kontrolliert, für die europäischen Lieferketten wichtig.

Das deutsche Unternehmen hat im letzten Jahr 40 neue GaN-Produkte angekündigt und sieht großes Potenzial in industriellen und automobilen Anwendungen. Der Schwerpunkt liege aktuell klar im Bereich Automotive, erklärt Schoiswohl. Künftige GaN-Zielapplikationen sieht er in Rechen- und Kommunikationsanwendungen wie Stromversorgungen für KI-Systeme, Solarwechselrichtern, Ladegeräten und Adaptern oder Motorsteuerungen.

Kostenparität von SiC- und GaN-Leistungsbauelementen

Laut Schoiswohl erreichen die so gefertigten GaN-Leistungsbauelemente inzwischen eine Kostenparität zu äquivalenten Silizium-Chips. Das beruht einerseits auf Größeneffekten – auf einen 12-Zoll-Wafer passen 2,3 Mal so viele Chips – und Verbesserungen bei der Epitaxie. Andererseits offeriert der geringere Einschaltwiderstand von GaN-Bausteinen Vorteile, wodurch kleinere Chips die gleiche Leistung wie vergleichbare Produkte aus Silizium erbringen.

Bei der technologischen Umsetzung ergeben sich einige Herausforderungen: das sind zum einen die Gitterfehlanpassung zwischen der GaN-Schicht und dem Silizium-Substrat – das ist mit 14 Prozent Mismatch viel und erzeugt beträchtliche Eigenspannungen – und die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Herstellungsverfahren für GaN-Chips

GaN-Bausteine werden durch MOCVD-Hetereoepitaxie (metallorganische chemische Gasphasenabscheidung) auf einem Siliziumsubstrat gefertigt. Um die Unterschiede in den Gitterkonstanten der Schichten auszugleichen, wird eine dünne kristalline Pufferschicht zwischen Substrat und GaN-Schicht aufgebracht, in der Regel Aluminiumnitrid. Diese Schicht reduziert auch auftretende Gitterdefekte an der Grenzfläche.

„Je größer der Waferdurchmesser, desto schwieriger wird es“, erklärt Schoiswohl. „Die Wafer beginnen sich aufgrund der Gitterfehlanpassung zu verziehen und brechen bei einer bestimmten Epitaxieschichtdicke einfach.“

Hier kommt die Expertise des Unternehmens bei Si-, SiC- und GaN-Prozessen, die auf viel Grundlagenforschung und Entwicklung sowie einem tiefgreifenden Verständnis der Eigenschaften der unterschiedlichen Halbleitermaterialien und der Integrated Device Manufacturing (IDM)-Strategie beruht, ins Spiel.

Insbesondere bei Leistungstransistoren mit höheren Sperrspannungen ist eine dickere Epitaxieschicht notwendig. Die Qualität der Epitaxieschicht ist daher ein wesentliches Alleinstellungsmerkmal, die den Yield (Ausbeute) und die Lebensdauer (bzw. Ausfälle des Bauelements) bestimmen.

Herausforderungen bei der GaN-Epitaxie auf 300 mm

Viel Knowhow floss deswegen in das Epitaxie-Verfahren, was die Epitaxiestapel (mehrere Übergitter), das Temperaturmanagement und wohl auch dickere (auf Glas gebondete) Substrate umfassen dürfte. Durch sein spezielles Epitaxie-Verfahren reduziert man in Villach die Spannungen während des GaN-Wachstums. Trotzdem weisen die 12-Zoll-Wafer noch Eigenspannungen von 1 GPa auf, weiß Michael Sorger, Leiter WBG-Technologietransfer und Umsetzungsmanagement bei Infineon Villach. Diese extremen Eigenspannungen und die Tatsache, dass GaN-Wafer durchsichtig sind, machen das Wafer-Handling kompliziert.

Die 300-mm-GaN-Wafer werden in der vollautomatisierten Halle 18 der Reinraumklasse ISO 6 auf Standard-Siliziumlinien verarbeitet – kostentechnisch ein großer Vorteil. Bis ein Wafer vollständig prozessiert ist, sind etwa 1.000 Prozessschritte notwendig, das dauert drei bis sechs Monate. Im Prozessverlauf wird durch verschiedene permanente Kontrollen der Partikeldichte sichergestellt, dass keine Verunreinigungen auftreten. Stichprobenartig wird auch der Trench mittels Rasterkraftmikroskopie überprüft.

Gesteuert wird die Fertigung über ein Kontrollzentrum (One Virtual Fab), das auch als Ansatz für die 300-mm-GaN-Fertigung am Standort Dresden fungiert (bei anderen Prozessen auch für Kulim, Malaysia).(kr)

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