Benchmarking von AlGaN/GaN-Epiwafern für Mikrowellen-Leistungsanwendungen
Optische Charakterisierung der AlGaN/GaN-Schichten (Candela Map), überlagert mit einer graphischen Darstellung der Ausbeute. dunkelblau = schlecht funktionierende Bauelemente mit geringer Durchbruchspannung, blaugrau/rot = sehr gute Eigenschaften: Die Eigenschaften von Substrat bzw. Epitaxieschichten beeinflussen das Bauelement unmittelbar.
Statistische Verteilung der Transistorsteilheit in Abhängigkeit vom Hersteller, gemessen an Transistoren aus dem ersten und zweiten Prozesslauf. Der Einfluss der Epitaxieschichten ist deutlich erkennbar, während die Unterschiede zwischen erstem und zweitem Prozess gering sind.
Die Konzeption und die Qualität der AlGaN/GaN-Epitaxieschichten in Hochleistungs-Mikrowellenbauelementen beeinflusst maßgeblich deren Eigenschaften und Zuverlässigkeit. Um den weltweiten Stand der GaN-Epitaxie auf neutraler Basis zu beurteilen, vergab die Europäische Weltraumbehörde ESA ein Projekt, in dem epitaxierte Wafer von verschiedenen Herstellern weltweit mittels eines reproduzierbaren und stabilen GaN-HFET-Bauelementprozesses miteinander verglichen und evaluiert werden sollten. Das FBH wurde von der ESA mit der Durchführung dieses ehrgeizigen Projekts beauftragt. Die Arbeiten sind in kommerzieller Hinsicht sehr sensitiv und mit entsprechenden Auflagen bezüglich der Veröffentlichung der Ergebnisse verbunden, da die Produkte konkurrierender Hersteller miteinander verglichen werden. Das Projekt wurde vor Kurzem erfolgreich abgeschlossen, wobei sehr interessante Ergebnisse erreicht und teilweise publiziert wurden [1].
Für den fairen Vergleich gab das FBH ein prinzipielles Epitaxie-Design der Mikrowellen-Leistungstransistoren für Anwendungen im Bereich des L- und des X-Bandes vor und stimmte dieses mit 9 internationalen Epitaxieherstellern ab (5 europäische, 2 amerikanische und 2 japanische Firmen bzw. Forschungsinstitute). Damit wurde für jeden Hersteller die gleiche Startbedingung sicher gestellt. Die Epitaxieschichten wurden dann von jedem Hersteller auf si-SiC gewachsen und dem FBH für ausführliche Materialuntersuchungen sowie, nach der Prozessierung, für Untersuchungen von Eigenschaften und Zuverlässigkeiten der Bauelemente übergeben. Das Risiko von Prozessschwankungen wurde durch Aufspaltung der Wafer in zwei hintereinander abfolgende Prozessruns minimiert.
Die erste Charakterisierungsphase beschäftigte sich mit der zerstörungsfreien Materialanalytik, bestehend aus Messungen von Waferdurchbiegung und Oberflächenrauigkeit mittels optischer Methoden, von Dicken und Zusammensetzungen der Epitaxieschichten mittels Röntgendiffraktometrie und der Defektdichte mittels des Inspektionssystems Candela als optische Charakterisierungstechnik. Diese Untersuchungen wurden an jedem Wafer durchgeführt, um eine volle Vergleichbarkeit zu gewährleisten. Der anschließenden Bauelementprozessierung schloss sich eine umfassende DC- und HF-Charakterisierung der Bauelemente an. Sie lieferten elektrische Daten zum inneren Aufbau der Transistoren wie Kontakt- und Schichtwiderstände, Transistorkenndaten an sich wie maximaler Drainstrom, Abschnür- und Durchbruchspannung, Leckströme sowie die wichtigsten Mikrowellenkenndaten wie Leistungsverstärkung, Maximalleistung und Wirkungsgrad. Von allen Parametern liegen nun vollständige Wafermaps vor, so dass eine umfassende statistische Aufbereitung der Daten auch in Verbindung mit potenziellen Inhomogenitäten auf den Wafern möglich ist. Zuverlässigkeitsanalysen an ausgewählten Wafern und Bauelementen schlossen die Arbeiten ab.
Speziell entworfen Bauelemente mit sehr guten elektrischen und Stabilitätseigenschaften wurden der ESA für die Mission Alphasat zur Verfügung gestellt. In diesem Projekt sollen erstmalig GaN-Bauelemente aus europäischer Fertigung im Weltraum erprobt werden. Die Bauelemente aus dem Projekt wurden erfolgreich bezüglich der elektrischen Eigenschaften und der Stabilität getestet [2], sie sind bereits in ein Flugmodul integriert und befinden sich derzeit auf den Vibrations-Testanlagen zur Simulation eines Raketenstarts.
Publikationen:
[1] P. Kurpas, I. Selvanathan, M. Schulz, H. Sahin, P. Ivo, M. Matalla, J. Splettstoesser, A. Barnes, J. Würfl, <link /fileadmin/fbh-berlin/english/ver10/pub76.htm _blank internal-link-new-window "Öffnet einen internen Link in einem neuen Fenster">"Stable and reproducible AlGaN/GaN-HFET processing highly tolerant for epitaxial quality variations", Conf. Dig. CS MANTECH 2010, Portland, USA, May 17-20, pp. 141-144 (2010).
[2] H. Mostardinha, P.M. Cabral, N.B. Carvalho, P. Kurpas, M. Rudolph, J. Würfl, J.C. Pinto, A. Barnes, and F. Garat, <link /fileadmin/fbh-berlin/english/ver10/pub75.htm _blank internal-link-new-window "Öffnet einen internen Link in einem neuen Fenster">"GaN RF Oscillator Used in Space Applications", Workshop on Integrated Nonlinear Microwave and Millimeter-Wave Circuits (INMMIC2010), Goteborg, Sweden, April 26-27, pp.50-53 (2010).
FBH-Forschung: 26.10.2010