Forskningsinstitutet Imec och Axitron har vid en demonstration visat upp epitaxiell tillväxt av Galliumnitrid (GaN)-buffertlager som är kvalificerade för 1200V-applikationer på 200 mm QST-substrat, med en så kallad hård nedbrytning som överstiger 1800 V. Resultaten kan öppna för teknikalternativ och billigare komponenter till elbilar.
Förmågan att tillverka 1200V-kvalificerade buffertlager öppnar dörrar till GaN-baserade kraftapplikationer med en högsta spänning, såsom för elbilar, som tidigare endast var möjliga med kiselkarbid (SiC)-baserad teknik. Resultatet kommer efter den framgångsrika kvalificeringen av Axitrons G5+C helautomatiserade metallorganiska kemiska ångpeponeringssreaktor (MOCVD) hos imec för integrering av den optimerade materialepistacken.
Material med brett bandgap såsom galliumnitrid (GaN) och kiselkarbid (SiC) har visat sitt värde som nästa generations halvledare för kraftkrävande applikationer där kisel (Si) inte duger. SiC-baserad teknik är den mest mogna men den är också dyrare. Under åren har enorma framsteg gjorts med GaN-baserad teknik odlad på exempelvis 200 mm Si-skivor. Vid imec har kvalificerade högelektronmobilitetstransistorer (HEMT) och Schottky-diodenheter visats för 100V, 200V och 650V driftsspänningsområden, vilket banar väg för tillverkning av stora volymer. Att uppnå driftsspänningar högre än 650V har emellertid utmanats av svårigheten att odla tillräckligt tjocka GaN-buffertlager på 200 mm skivor. Därför förblir SiC hittills den halvledartekniken man väljer för 650-1200V-applikationer – såsom till exempel elbilar och till applikationer inom förnybar energi.
För första gången har nu imec och Axitron visat epitaxiell tillväxt av GaN-buffertlager som är kvalificerade för 1200V-applikationer på 200mm QST (i SEMI-standardtjocklek)-substrat vid 25 °C och 150 °C, med en hård nedbrytning som överstiger 1800V.
– GaN kan nu bli den teknik som väljs för en mängd olika driftsspänningar från 20V till 1200V. Eftersom tekniken kan användas med större skivor i CMOS-fabriker med hög genomströmning erbjuder kraftteknologi baserad på GaN en betydande kostnadsfördel jämfört med den inneboende dyrare SiC-baserade tekniken, säger Denis Marcon, Senior Business Development Manager på Imec.
Nyckeln till att uppnå den höga nedbrytningsspänningen är enligt Imec en noggrann konstruktion av den komplexa epitaxiala materialstacken i kombination med användning av 200 mm QST-substrat, utförda inom ramen för IIAP-programmet. De CMOS-fab-vänliga QST-substraten från Qromis har en termisk expansion som nära matchar den termiska expansionen av GaN/AlGaN-epitaxialskikt, vilket banar väg för tjockare buffertlager – och därmed högre spänningsdrift.
– Den framgångsrika utvecklingen av imecs 1200V GaN-on-QST epi-teknik till Aixtrons MOCVD-reaktor är ytterligare ett steg i vårt samarbete med imec. Tidigare, efter att ha installerat Aixtron G5 + C vid imecs anläggningar, kvalificerades imecs egenutvecklade 200 mm GaN-on-Si materialteknik på vår G5 + C högvolymstillverkningsplattform, inriktad på exempelvis högspänningsswitchar och RF-applikationer och möjliggjorde för våra kunder för att uppnå en snabb produktionsförstärkning med förvaliderade tillgängliga epi-recept. Med den här nya prestationen kommer vi att kunna utnyttja nya marknader gemensamt, Dr. Felix Grawert, vd och koncernchef för Aixtron.
För närvarande processas laterala e-mode-enheter för att visa komponenters prestanda vid 1200V, och det pågår försök att utöka tekniken mot applikationer med ännu högre spänning. Utöver detta forskar imec också på 8-tums GaN-on-QST vertikala GaN-komponenter för att ytterligare utöka spännings- och strömområdet för GaN-baserad teknik.
Om Axitron
Aixtron grundades 1983 ur forskningsverksamhet vid RWTH Aachen. Företagets huvudkontor finns i Herzogenrath, Tyskland och har forskningslaboratorier och filialkontor i Kina, Storbritannien, Sverige och USA.
