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High-Q-Power-GaN - Development of transistors for high-power electronics on low-defect free-standing gallium nitride substrates

Subject Area Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
Term from 2016 to 2020
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 279952854
 
Final Report Year 2021

Final Report Abstract

Neuartige Transistoren aus AlGaN/GaN-Heterostrukturen ermöglichen erhebliche Verbesserungen wichtiger Eigenschaften leistungselektronischer Komponenten: beim spezifischen Einschaltwiderstand, bei der Schaltfrequenz und als Folge davon auch bei der Leistungs- und Energieeffizienz. Die in der Entwicklung und Demonstration befindlichen AlGaN/GaN-basierten Leistungstransistoren schöpfen das Potential der GaN-Technologie im Hinblick auf die erreichbare Energieeffizienz insbesondere bei hohen Betriebsfrequenzen jedoch noch nicht aus. Dies liegt hauptsächlich am Kanalwiderstand der AlGaN/GaN-Transistoren, der durch ein polarisationsinduziertes zweidimensionales Elektronengas (2DEG) nahe der AlGaN/GaN-Grenzfläche gebildet wird. Aufgrund der Limitierungen in der strukturellen Qualität der epitaktisch herstellbaren Schichtfolgen auf Fremdsubstraten (Silizium, Siliziumkarbid) ist die maximal erreichbare Elektronen-Flächendichte und die -Mobilität im Kanal bisher auf etwa 8x10^12cm^-2 und 1650 Vs/cm und damit der minimale Flächenwiderstand des Kanals durch 470 Ω/□ beschränkt. Dies hat zur Folge, dass die theoretisch mögliche Ausgangsleistung und Energieeffizienz von AlGaN/GaN-basierten leistungselektronischen Bauelementen und Systemen bisher limitiert ist. An diesen Punkten setzen die Forschungsschwerpunkt und das Arbeitsprogramm zur Realisierung von GaN-basierten Halbleiterstrukturen für besonders energieeffiziente leistungselektronische Bauelemente an. Das Ziel des Forschungsvorhabens war es, Hochleistungstransistoren für Spannungswandler auf der Basis von AlGaN/GaN-Heterostrukturen auf defektarmen freistehenden GaN- Substraten herzustellen. Hierzu wurden kommerziell verfügbare, semiisolierende 2“-GaN- Substrate für eine nachfolgende Epitaxie von AlGaN/GaN-Heterostrukturen evaluiert und folgenden (beste) Eigenschaften charakterisiert: ein spezifischer Widerstand > 10^9 Ωcm; eine Versetzungsdichte ≤ 5 x 10^6 cm^-2; eine Substratverbiegung < 20 µm; und eine Oberflächenrauigkeit < 1 nm. Für eine erfolgreiche Prozessierung der GaN-basierten Leistungstransistoren wurde mit Hilfe einer Kohlenstoffdotierung eine elektrisch hoch isolierende GaN-Zwischenschicht auf das GaN-Substrat epitaxiert. Bereits die ersten Versuche zeigten, dass mit Kohlenstoffdotierungen von 4*10^19 bis 8*10^19 cm^-3 eine sehr gute Isolation erreicht wird. Bei einem Kontaktabstand von 15 µm betrug die vertikale Durchbruchspannung 600 V, was einer elektrischen Feldstärke von 40 MV/m entspricht. Die laterale Durchbruchspannung war mit 1000 V bei einem Kontaktabstand von 4 µm noch höher und entsprach einer Feldstärke von 250 MV/m. Der Kanal eines GaN-basierten Leistungstransistors wurde durch ein polarisationsinduziertes, zweidimensionales Elektronengas (2DEG) an der Grenzfläche zwischen einer AlGaN-Barriere und der GaN-Zwischenschicht gebildet. Die elektrischen Eigenschaften des 2DEGs wurden mit Hilfe von Hallund CV-Messung ermittelt. Die Elektronenflächendichte und ihre Mobilität wurden zu 9*10^12 cm^-2 und 1850 cm2/Vs bestimmt, was zu niedrigen Kanalwiderständen von 375 Ω/□ führt. Die guten elektrischen Eigenschaften der prozessierten Transistoren motivierte das Design und die Prozessierung eines Leistungsbarrens mit einer großen Gateweite von 38,4 mm Die Realisierung des Leistungsbarrens umfasste 10 Maskenebenen für die Vorder- und Rückseiten-Prozessierung und Rückseitenvias für die Source-Kontakt, um eine vorteilhafte Mikrostreifengeometrie erstellen zu können. Nach der Prozessierung wurden der Leistungsbarren mit Hilfe eines AuSn-Lots in einem Hochfrequenz-Gehäuse eingefügt sowie thermisch optimiert und extrem niederinduktiv ausgelegt. Auf diese Weise wurde eine hohe Leistungseffizienz von 70% und eine große Ausgangsleistung von 275 W bei einer Betriebsspannung von 50 V erreicht.

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