Galliumoxid-Leistungstransistoren
Aufgrund der steigenden Anforderungen an höheren Spannungsfestigkeiten von elektronischen Bauteilen in der Leistungselektronik befasst sich das FBH intensiv mit neuen Halbleitermaterialien, die aufgrund ihrer Materialeigenschaften ein hohes Potential besitzen diesen Anforderungen gerecht zu werden. Der vielversprechende Halbleiter Galliumoxid (β-Ga2O3) zeichnet sich durch eine sehr weite Bandlücke von etwa 4,8 eV aus woraus sich eine hohe Durchschlagfestigkeit mit Werten weit über denen von Galliumnitrid oder Siliziumcarbid ableiten lässt. Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit einer signifikanten Reduzierung des Gates/Drain Abstandes im Transistor wodurch Halbleiterschalter noch kompakter und effizienter hergestellt werden können.
Vollständig prozessierter 2-Zoll Ga2O3 Wafer mit lateralen Transistor-Bauelementen.
Im Zuge dessen forscht das FBH innerhalb der letzten Jahre in Kooperation mit dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung an der Entwicklung und Prozessierung von lateralen und vertikalen Leistungsschalttransistoren auf der Basis von β-Ga2O3. Diese Arbeiten umfassen die Entwicklung wesentlicher Prozessmodule, wie etwa Verbesserungen bei der Formierung Ohmscher Kontakte mittels Ionenimplantation, Optimierungen schädigungsarmer Ätzverfahren, Interface-Engineering sowie die Realisierung einer geeigneten Gate-Topologie.
Laterale Bauelemente
720 mΩ Ga2O3 MOSFET mit einer gesamten Gateweite von 92 mm.
Durch Optimierungen seitens des Schichtwachstums und der Bauteilprozessierung hinsichtlich der Gate-Topologie konnten so in bisherigen Untersuchungen Transistoren hergestellt werden, die sich durch eine hohe Durchbruchfestigkeit von bis zu 2,5 MV/cm auszeichnen. Zudem konnten Durchbruchspannungen von 1,8 kV erreicht werden, wodurch sich eine hohe Leistungsdichte von 155 MW/cm² errechnet.
Darüber hinaus realisierte das FBH unter Einsatz eines optimierten Ionenimplantationsverfahrens erfolgreich großflächige β-Ga2O3 MOSFETs auf semi-isolierenden 2-Zoll β-Ga2O3 Wafern; dabei wurden ein Rekord-Drainstrom von bis zu 13 A sowie ein Einschaltwiderstand von 720 mΩ erzielt. Zudem ermöglichte dieser Ansatz einen Hochspannungsbetrieb bei 4 A / 300 V. Dies ist die weltweit erste Demonstration von Schaltvorgängen in der Kilowatt-Klasse eines Ga2O3-basierten Transistorbauelement.
Vertikale Baulemente
Schematischer Querschnitt der am FBH in Entwicklung befindlichen vertikalen Ga2O3-FinFET-Struktur.
REM-Querschnittsaufnahme eines vollständig prozessierten Ga2O3-FinFET mit einem Finnenabstand von 1,2 μm.
Bauelemente in einer vertikalen Struktur bieten große Vorteile, um das Potential von β-Ga2O3 mit seiner hohen Durchbruchfeldstärke besser ausnutzen zu können. Durch die ideale Trennung der hohen Potentiale auf Ober- und Unterseite des Wafers durch die epitaktisch gewachsene Driftzone ist das Bauelement wesentlich unempfindlicher gegenüber Oberflächeneffekte. Dadurch können Spannungen im Bereich oberhalb von 1 kV zuverlässig geschaltet werden. Zudem kann die Chipfläche optimaler ausgenutzt werden, wodurch sich ein bedeutendes Skalierungspotential ergibt.
Die Anforderungen an das Material sowie die Prozesstechnik sind jedoch andere als bei der lateralen Bauweise. So werden beispielsweise leitfähige Substrate benötigt, auf denen Schichtdicken von mehreren Mikrometern zur Realisierung einer niedrig-dotierten Driftzone epitaktisch aufgewachsen werden müssen.
In Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung arbeitet das FBH intensiv an der Realisierung vertikaler FinFETs auf Basis des Halbleitermaterials β-Ga2O3. Bei diesem Bauelement wird eine effektive Ansteuerung maßgeblich durch die Breite der jeweiligen Finnen-Strukturen bestimmt, wodurch der Einsatz von Elektronenstrahl-Lithografie zum Erzeugen von Strukturen im Sub-Mikrometerbereich zwingend erforderlich ist. Mittels trockenchemischer Ätzverfahren können Finnen-Strukturen mit einer hohen Flankensteilheit bei einer Breite von 200 nm und einer Höhe von 1 µm erzeugt werden. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung, um vertikale FinFETs zu realisieren. Erste Demonstratoren vertikaler Ga₂O₃-FinFETs zeigen vielversprechende Leistungsmerkmale, einschließlich eines Betriebs im Anreicherungsmodus (Enhancement Mode) und einer hohen Spannungsblockierfähigkeit bei einer mittleren Durchbruchfeldstärke von 2,7 MV/cm.
