Material- und Prozessentwicklung von Leistungstransistoren auf der Basis von β-Ga2O3 mit verschiedenen Kristallorientierungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Sibylle Dieckerhoff; Dr. Zbigniew Galazka; Dr. Andreas Popp; Dr.-Ing. Kornelius Tetzner
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 555506919

Das Halbleitermaterial β-Ga2O3 hat in den letzten Jahren aufgrund der erwarteten herausragenden Materialeigenschaften viel Aufmerksamkeit für leistungselektronische Anwendungen der nächsten Generation auf sich gezogen. Unter Berücksichtigung der sehr hohen Bandlücke von 4,8 eV wird eine hohe Durchschlagsfestigkeit von 8 MV/cm erwartet, was den Weg für die Realisierung von Leistungs-MOSFETs mit noch höheren Leistungsdichten und Wirkungsgraden ebnen könnte, als dies derzeit mit SiC und GaN der Fall ist. Aktuelle Studien, die sich auf die Entwicklung von Ga2O3 Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) konzentrieren, haben bereits das hohe Potenzial für Hochspannungsanwendungen mit Durchbruchspannungen von bis zu 8 kV und Durchbruchfestigkeiten von 5,5 MV/cm für einzelne MOSFETs gezeigt. Das Erreichen von sowohl hohen Durchbruchspannungen als auch hohen Durchbruchfeldern in ein und demselben MOSFET wurde jedoch aufgrund von material- und bauteilbezogenen Beeinträchtigungen noch nicht erreicht. Somit sind die Gesamtleistungen der Ga2O3 MOSFETs noch weit von der theoretischen Grenze für Ga2O3 entfernt. Darüber hinaus wurden bisher nur sehr wenige Studien zur Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften von Ga2O3 MOSFETs durchgeführt, um die tatsächlichen Schalteigenschaften dieses Materials zu bewerten. In dieser Hinsicht wurden bisher nur 400 V Ein- und Ausschaltransienten für Ga2O3 MOSFETs demonstriert. Darüber hinaus können aufgrund der monoklinen Struktur von Ga2O3 Substrate und Epitaxieschichten mit verschiedenen Kristallorientierungen hergestellt werden, die sich hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften stark voneinander unterscheiden. Bisher gibt es noch keinen klaren Konsens über die optimale Kristallorientierung für laterale MOSFETs innerhalb der Forschungsgemeinschaft. Das vorgeschlagene Projekt zielt darauf ab, das Leistungsniveau aktueller Ga2O3-Leistungs-MOSFETs näher an die theoretische Grenze zu bringen, indem sowohl das Material als auch die Prozesstechnologie optimiert werden um hohe Durchbruchspannungen und Durchbruchfelder in ein und demselben Bauelement zu erreichen. Die angestrebten Spezifikationen der Ga2O3-basierten Leistungs-MOSFETs liegen weit über dem aktuellen Stand der Technik mit maximalen Strömen von bis zu 20 A und Durchbruchspannungen von 1500 V. Um dieses Ziel zu erreichen, wird zunächst eine einzigartige Vergleichsstudie von MOSFETs auf epitaktischen Ga2O3-Wafer mit unterschiedlichen Kristallorientierungen durchgeführt. Damit lässt sich die optimale Ga2O3 Kristallorientierung für Leistungs-MOSFETs ableiten. In einer zweiten Phase werden große MOSFETs hergestellt, für die Epitaxiewafer bis zu 25x25 mm² mit der optimalen Kristallorientierung präpariert werden müssen. Statische und dynamische Charakterisierung dieser MOSFETs werden projektbegleitend durchgeführt wie auch Bauelementsimulationen, die rückkoppelnd auf die Material- und Prozesstechnologie zur iterativen Optimierung verwendet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen