Vertikale GaN-Transistoren
GaN Leistungsbauelemente werden in Hochleistungs-Stromwandlersystemen sowie als Treiber für optische Hochleistungslasersysteme eingesetzt. Für solche Bauelemente ist eine vertikale Topologie von Vorteil, da sie dicke epitaktische Schichten zur Sperrung hoher Spannungen im Sperrzustand mit einer sehr hohen Stromdichte für einen geringen Widerstand im Durchlasszustand kombiniert. Darüber hinaus bietet diese Topologie einen niedrigen Energieverbrauch und – durch die Nutzung des Volumenhalbleiters – eine verbesserte Wärmeableitung. Wir haben bedeutende Fortschritte bei der Erforschung und Entwicklung vertikaler Transistoren auf Basis von Galliumnitrid (GaN) erzielt und dabei verschiedene Transistorstrukturen (FinFET, Trench-MOSFET, VDMOSFET) mit äußerst kompakten Abmessungen, bemerkenswerter Stromdichte und hoher Durchbruchspannung demonstriert.
Vorteile vertikaler GaN-Bauelemente
Bis vor kurzem kamen bei GaN-basierten leistungselektronischen Bauelementen laterale Topologien zum Einsatz, da das laterale zweidimensionale Elektronengas hier überlegene Leitungseigenschaften aufweist. Gegenwärtig besteht jedoch ein großer Markt für vertikale GaN-Bauelemente. Für höhere Betriebsspannungen, etwa ab 1200 V, bieten vertikale Bauelementkonzepte deutliche Vorteile, da die Spannung im Sperrzustand vollständig über das Substrat abfällt. Dies vereinfacht Entwurf und Realisierung von Hochspannungs-Leistungsschaltern. Sie lassen sich beispielsweise in der zukünftigen Elektromobilität sowie in elektrischen Flugantriebssystemen und vielen weiteren Anwendungen einsetzen. Darüber hinaus eignen sie sich für die direkte Hochgeschwindigkeits-Laseransteuerung mittels Chip-on-Chip-Integration. In jedem Fall ist Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung. Die Entwicklungen am FBH konzentrierten sich daher auf freistehende, hochleitfähige GaN-Substrate mit äußerst geringer Defektdichte. Wenn jedoch die Kosten im Vordergrund stehen, können vertikale GaN-Bauelemente auch auf kostengünstigen Fremdsubstraten wie Silizium und Saphir realisiert werden. Dem FBH gelangen dabei wichtige Nachweise: So wurde erstmals ein Avalanche-Durchbruch für vertikale GaN-Bauelemente sowohl auf Saphir- als auch auf weiteren Fremdsubstraten gezeigt, mit hohen Durchbruchspannungen von über 1200 V. Zudem entwickelten wir zentrale Prozessschritte, die es uns ermöglichten, weltweit erstmals vertikale GaN-Bauelemente auf Wolfram-Wafern zu demonstrieren.
Prozessierung vertikaler GaN-Transistorchips
Am FBH verfügen wir über umfangreiche Erfahrung in der Prozessierung vertikaler Transistoren mit großer Gate-Peripherie. So konnten wir Transistorchips mit einer Fläche von bis zu 3×3 mm² auf Basis vertikaler Trench-MOSFETs sowie Transistorchips mit einer Fläche von bis zu 1,5×1,5 mm² auf Basis vertikaler FinFETs realisieren. Die Transistoren wurden auf nativen GaN-Substraten gewachsen und erreichten im Schaltbetrieb bis zu 6 A bei 200 V. Solche Bauelemente stellen einen praxisnahen Anwendungsfall für die vertikale GaN-Technologie dar, da sie sich problemlos in ein Gehäuse einbauen und in diskrete Leistungsmodule für den Betrieb im kW-Bereich integrieren lassen. Am FBH verfügen wir zudem über die Möglichkeiten zur On-Wafer-Hochleistungs- und Vertikalmessung sowie über hauseigene Kapazitäten für Aufbautechnik (Packaging) und Hochspannung-scharakterisierung.
Schnelle vertikale Lasertreiber für LiDAR-Anwendungen
Long-Range-LiDAR-Systeme mit sehr hoher Erfassungsrate, wie sie beispielsweise beim autonomen Fahren eingesetzt werden, erfordern eine schnelle Laseransteuerung in Verbindung mit leistungsstarker Versorgungselektronik. Die Integration GaN-basierter Leistungselektronik ermöglicht sehr schnelle Lasertreiber mit hohen Stromdichten. Herkömmliche Aufbauarchitekturen für Laser erfüllen diese Anforderungen nicht, sodass eine neue Architektur unerlässlich ist. Wir haben ein Konzept für die Chip-on-Chip-Integration einer Laserdiode mit einem vertikalen GaN-Transistor als schnellem Treiber entwickelt. Dabei wird die Laserdiode direkt auf einem ansteuernden GaN-basierten Leistungstransistor montiert, Seite an Seite mit einem sehr schnellen Hochstrom-Energiespeicher, wodurch kurze und leistungsstarke Laserpulse erzeugt werden. Für dieses innovative Aufbaukonzept wurden neue vertikale GaN-Schalttransistoren auf hochleitfähigen freistehenden GaN-Substraten entwickelt und hergestellt. Als Grundlage untersuchten wir zunächst den Einfluss von Substrattyp und -hersteller sowie der Gate-Treibertechnologie auf die Schalteigenschaften der Transistoren. Die Transistoren wurden auf unterschiedlichen Substraten mit einer Gate-Kanal-Orientierung entlang der beiden unpolaren GaN-Kristallebenen, der a- und der m-Ebene, prozessiert. Die Substrate unterscheiden sich hinsichtlich Herstellungstechnologie und Defektdichte. Gering defektbehaftete ammonothermale Substrate wurden mit mäßig defektbehafteten Substraten aus Hydrid-Gasphasenepitaxie (HVPE) verglichen. Es zeigte sich, dass die leistungsfähigsten Bauelemente – mit einem maximalen Ausgangsstrom von über 4 kA/cm² und einem flächenspezifischen Durchlasswiderstand von 1,1 mΩ∙cm² – auf ammonothermalem GaN-Substrat mit einer zur a-Ebene des GaN-Kristalls parallelen Gate-Kanal-Orientierung hergestellt wurden. Diese Schalttransistoren mit großer Gate-Peripherie, einer Gate-Weite von 142 mm und einem Durchlasswiderstand von 305 mΩ, wurden mittels Chip-on-Chip-Montagetechnik direkt mit einem Laserdiodenchip kombiniert. Die gesamte Anordnung wurde anschließend auf einer induktionsarmen, thermisch leitfähigen, jedoch elektrisch isolierenden AlN-Keramikplatine platziert. Der Demonstrator ermöglichte Laserpulse von 3,6 ns Dauer bei einer Emissionswellenlänge von 904 nm und einer optischen Spitzenleistung von 4 W.
