07.11.2019

Galliumnitrid für sparsame Chips

Halbleiter­material für Leistungs- und Hochfrequenz­elektronik der kommenden Generation.

Die Digi­talisierung in Industrie und privaten Haushalten, die Elektrifizierung in der Mobilität und die verstärkte Nutzung von Strom aus erneuer­baren Energien sorgen für einen Bedarf an Leistungs­halbleitern, die Strom effizienter als bisherige Lösungen wandeln können. Um diese zu global wettbewerbsfähigen Kosten für eine Vielzahl von Anwendungen bereit­stellen zu können, haben sich für „UltimateGaN“ – Research for GaN technologies, devices and appli­cations to address the challenges of the futureGaN roadmap – 26 Partner zu einem der größten europäischen Forschungs­projekte zusammen­geschlossen. Sie setzen auf Gallium­nitrid als neues Halbleiter­material, um innovative Leistungs- und Hochfrequenz­elektronik zu ermöglichen und so die nächste Generation der Energie­sparchips zu entwickeln. Die Anwendungs­felder sind vielfältig und umfassen beispiels­weise kürzere Ladezeiten für Elektroautos, einen schnelleren Datentransfer zwischen Anlagen, Objekten und Maschinen oder eine effizientere Netz­einspeisung von Strom aus erneuer­baren Energien.

Abb.: Pitting-Defekt am Gate eines High-Electron-Mobility-Tran­sistors aus...
Abb.: Pitting-Defekt am Gate eines High-Electron-Mobility-Tran­sistors aus Gallium­nitrid. Diese Grübchen­bildung entsteht durch mecha­nische Verspan­nungen und elektro­chemische Oxidation. (Bild: Fh.-IMWS)

Das Fraunhofer-Institut für Mikro­struktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle bringt dabei seine langjährige Erfahrung in der hochauf­lösenden Mikrostruktur­analytik und komplexen Fehler­diagnostik für elek­tronische Bauteile ein, ebenso seine Kompetenzen in der Entwicklung neuer Untersuchungs­verfahren. Die Grundlagen für das im Mai 2019 gestartete Projekt, das eine Laufzeit von drei Jahren hat und von Infineon Austria geleitet wird, wurden im voran­gegangenen Forschungs­projekt „PowerBase“ gelegt, an dem das Forscherteam aus Halle ebenfalls bereits beteiligt war.

„Die Basis­generation und die Pilotlinie, die darin entwickelt wurden, werden nun auf ein neues Technologie­niveau gehoben. Durch eine weitere Minia­turisierung der Chips, bei höherer Qualität und zu niedrigeren Herstellungskosten, soll das globale Markt­potenzial dieser Technologie weiter ausgeschöpft werden. Neue Materialien wie Gallium­nitrid erfordern dabei neue Ansätze der Fehler­analytik, um spezifische Fehlermodi oder Degradations­prozesse erkennen, verstehen und damit abstellen zu können“, sagt Frank Altmann, Leiter des Geschäft­sfelds Werkstoffe und Bauelemente der Elektronik.

Der Schlüssel zu effi­zienteren Bau­elementen sind die speziellen Material­eigenschaften von GaN, die höhere Leistungs­dichten ermöglichen. Bauteile auf GaN-Basis lassen sich in kleineren und leichteren Bauelement­strukturen umsetzen, die den Strom effizienter schalten sowie höhere Daten­übertragungsraten ermöglichen. Stromverluste werden bis zur Hälfte reduziert. „Die hohen elek­trischen Feldstärken sowie Strom- und Leistungsdichten in sehr kompakten Bauelementen sind dabei besonders herausfordernd“, sagt Altmann. Deshalb werden in „Ultimate GaN“ die Kompetenzen vieler Partner gebündelt, wodurch die gesamte Wertschöpfungs­kette abgebildet werden kann, von der Prozess­entwicklung über Design, Aufbau- und Verbindungs­technologien bis hin zur integrierten Systemlösung. 

Die Aktivitäten des Fraunhofer IMWS konzen­trieren sich auf die Struktur­charakterisierung und hochauf­lösende Fehler­analytik lateraler und vertikaler GaN-Archi­tekturen und leisten einen Beitrag zu einem tieferen Verständnis der auftretenden Fehlermodi und Degradations­mechanismen. Dazu gehören die Charak­terisierung von Grenzflächen­eigenschaften am Gate und Ohm-Kontakt und zwischen GaN-Stack und Passivierung, die Entwicklung speziell angepasster Analysemethoden für die Loka­lisierung und physika­lische Analyse von Defekten sowie die Bestimmung von Defekt­risiken beim Drahtbonden über aktiven GaN-Strukturen.

Fh.-IMWS / JOL

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