Galliumnitrid könnte sich zum etablierten Halbleitermaterial der Zukunft entwickeln.

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Herstellung auf die nächste Stufe heben Fertigung von Galliumnitrid: Günstiger und mit gesicherten Lieferketten

04.11.2022

Galliumnitrid wird von vielen immer noch als eine neue Halbleitertechnologie angesehen. Obwohl GaN inzwischen in Ladegeräten und Netzteilen für Mobiltelefone weit verbreitet ist und Vorteile in Bezug auf Wirkungsgrad und Leistungsdichte bietet, erkennen andere Bereiche, wie zum Beispiel die Automobilindustrie, Rechenzentren, LED-Treiber und erneuerbare Energien gerade erst die überlegene Schaltleistung von GaN-Transistoren auch für sich.

Beim Einsatz von Galliumnitrid in neuen Bereichen gibt es natürlich Early Adopters, aber bevor in die Serienfertigung übergegangen wird, müssen die Hersteller sicher sein, dass kommerzielle Faktoren als auch technische Bedenken berücksichtigt wurden. Innoscience, größter Hersteller von 8-Zoll-GaN-auf-Si-Bauelementen, begegnet diesen Bedenken mit bewährter Technologie, robusten, qualifizierten Prozessen und umfangreichen Fertigungskapazitäten.

Fertigung von Galliumnitrid

Innoscience wurde im Dezember 2015 mit dem Ziel gegründet, das weltweit größte Fertigungsunternehmen zu schaffen, das sich vollkommen auf die 8-Zoll-GaN-auf-Si-Technologie konzentriert. Von Anfang an war sich das Management darüber im Klaren, dass Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit – auch wenn sie von entscheidender Bedeutung sind – nur der Ausgangspunkt sind, damit GaN in vielen Märkten allgegenwärtig wird. Bevor sich die GaN-Technologie auf breiter Basis durchsetzen konnte, mussten drei wesentliche Anforderungen erfüllt werden.

Erstens müssen GaN-Bauelemente erschwinglich sein, da der Markt nicht bereit ist, einen hohen Aufpreis zu zahlen. Zweitens ist eine große Fertigungskapazität erforderlich, um hohe Stückzahlen zu liefern und Nachfrageschwankungen aufzufangen. Drittens fordern die Kunden Liefersicherheit, damit sie ihre Produkte und Systeme mit neuen GaN-Bauelementen entwickeln können, ohne sich über mögliche Produktionsausfälle und Engpässe Gedanken machen zu müssen.

Man bedenke, dass das Aufkommen von GaN mit einer besonders heiklen Periode globaler Chipknappheit zusammenfiel, die einzigartig in der Elektronikindustrie ist. Innoscience hat daher erkannt, dass nur durch Konzentration auf die 8-Zoll-GaN-auf-Si-Technologie eine drastische Ausweitung der Fertigung und die Kontrolle über die eigenen Fertigungsstätten möglich ist, um die Anforderungen der Elektronikindustrie (Preis, Stückzahl und Liefersicherheit) zu gewährleisten.

Neue Technologie

Da jedoch die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit immer vor allen anderen Belangen zu beweisen ist, werfen wir zunächst einen Blick auf die Technologie, die Innoscience zusammen mit seinen internationalen Partnern entwickelt hat.

Nutzer von Leistungshalbleitern fordern Bauelemente, die einen selbstsperrenden Betrieb (Normal-Aus-/Anreicherungs-/Enhancement-/E-Modus) ermöglichen, das heißt es fließt kein Strom, wenn das Gate des Transistors auf 0 V gesetzt ist. Da die natürliche Form von GaN-HEMTs (High Electron Mobility Transistors) normalerweise eingeschaltet ist (Verarmungsmodus), müssen spezielle Treiber in einer Kaskode platziert werden, um den Normal-Aus-Betrieb zu realisieren.

Die GaN-HEMTs von Innoscience sind jedoch von Natur aus selbstsperrende Bauelemente. Ihr Normal-Aus-Betrieb wird durch Aufwachsen einer p-GaN-Schicht auf die AlGaN-Barriere realisiert, was einen Schottky-Kontakt zusammen der p-GaN-Schicht bildet. Im Beharrungszustand erhöht sich damit das Potenzial im Kanal, was zu einem Normal-Aus-/Enhancement-Betrieb führt.

Niedriger spezifischer RDS(on)

Ein entscheidender Parameter, um die Leistungsfähigkeit eines GaN-Bauelements zu bestimmen, ist der spezifische RDS(on), also der Durchlasswiderstand pro Flächeneinheit. Je niedriger der Wert, desto kleiner kann ein Bauelement hergestellt werden, was mehr Bauelemente pro Wafer und daher geringere Kosten garantiert.

Innoscience hat einen eigenen Chip-Layer für höhere Belastungen (Strain Enhancement Layer) entwickelt, der aus der Abscheidung einer speziellen Schicht nach der Definition des Gate-Stacks besteht. Die durch diesen Layer angepasste Beanspruchung induziert zusätzliche piezoelektrische Polarisation, was die 2DEG-Dichte erhöht und den Schichtwiderstand um 66 Prozent verringert. Da der Chip-Layer für höhere Belastungen nach der Gate-Bildung aufgebracht wird, wirkt er sich nur auf den Widerstand in der Zugangsregion aus und hat keinen Einfluss auf andere Parameter wie Schwellenwert und Leckstrom etc.

Daher bieten die GaN-auf-Si-/E-Mode-HEMTs von Innoscience einen sehr niedrigen spezifischen Durchlasswiderstand. Indem Innoscience die Epitaxie und Prozesstechnologie optimiert hat, steigt der (dynamische) RDS(on) über den gesamten Temperatur- und Spannungsbereich nicht an, was den Baustein ideal als Leistungsschalter macht.

Hoher Durchsatz, hohe Ausbeute

Halbleitertechnologie kommt seit 50 Jahren in Serie zum Einsatz. Die Hersteller von Halbleiterbauelementen haben mithilfe der Maschinenbauer ihren Prozess hinsichtlich Durchsatz und Qualität so optimiert, dass jeder verfügbare Millimeter Silizium-Waferfläche ausgenutzt wird, um so viele Wafer wie möglich zu fertigen. Innoscience macht sich all diese Erfahrungen und Fachkenntnisse zunutze.

Das Unternehmen hat sich der Verarbeitung von 8-Zoll-Wafern verschrieben, und seine beiden Fabs sind mit neuesten Maschinen, einschließlich ASML-Scannern, ausgestattet. Auch die Prozessabläufe sind entsprechend optimiert. Da Innoscience ein vollständig integriertes Unternehmen ist, das alle Fertigungsstufen vom Bauteildesign über Epitaxie und Wafer-Verarbeitung bis hin zur Fehler- und Zuverlässigkeitsanalyse kontrolliert – also die vollständige GaN-auf-Si-Fertigung – wird eine hohe Wafer- und Bauelemente-Ausbeute erzielt. Dies führt dazu, dass neue Produkte innerhalb von drei bis sechs Monaten entwickelt und getestet werden und innerhalb von nur sechs Monaten für die Serienfertigung bereitstehen.

Heute produziert Innoscience jeden Monat mehr als 10.000 8-Zoll-GaN-auf-Si-Wafer. Diese Zahl wird bis 2025 auf 70.000 Wafer pro Monat steigen. Die erste Fab von Innoscience ist bereits nach ISO9001 und IATF 16949:2016 für den Einsatz im Automotive-Bereich zertifiziert. Die GaN-HEMTs entsprechen dem JEDEC-Standard, und Innoscience führt weitere Zuverlässigkeitstests im Voraus durch, um die Bauelemente zu testen.

Produkt-Mix

Als GaN-Unternehmen bietet Innoscience exklusiv Bauelemente an, die den Low-Voltage-Bereich (30 bis 150 V) und den High-Voltage-Bereich (650 V) abdecken. Die GaN HEMTs von Innoscience (InnoGaN) sind von 30 bis 150 V in Chip-Scale-Gehäusen (CSP) mit Abmessungen von 2 x 2 bis 2,2 mm x 3,2 mm mit einem RDS(on) von nur 5,5 mΩ (typ.) erhältlich. 650-V-Bauteile im DFN- und Wafer-Maßstab weisen RDS(on)-Werte von bis zu 106 mΩ (typ.) auf. InnoGaN kommt in USB-PD-Ladegeräten mit bis zu 120 W und in LLC-Wandlern zum Einsatz, als auch in den Netzteil-Racks von Rechenzentren.

In naher Zukunft kommen sie auch in Automotive-Anwendungen wie LiDAR-Systemen, On-Board-Ladegeräten (OBCs), 48-12-V-DC/DC-Abwärtswandlern und 650-/900-V-High-Voltage-DC/DC-Wandlern zum Einsatz. InnoGaN übertrifft auch herkömmliche Silizium-FETs in der LED-Beleuchtung. Das bidirektionale 40-V-Bauteil von Innoscience ist der branchenweit erste GaN-HEMT in einem Smartphone, mit dem die Größe des Überspannungsschutzes (OVP) im Batteriemanagementsystem (BMS) um mindestens 50 Prozent verringert werden konnte.

Fazit

Durch die Kombination führender Technologie, hochmoderner Verarbeitung und der branchenweit größten 8-Zoll-GaN-auf-Si-Kapazität stellt sich Innoscience den technischen und kommerziellen Herausforderungen und ermöglicht Entwicklern in allen Bereichen, von den nachgewiesenen GaN-Leistungsvorteilen zu profitieren – ohne dabei Kostennachteile erleiden zu müssen.

Bildergalerie

  • Innoscience hat einen Layer für höhere Belastungen (Strain Layer) entwickelt, der einen niedrigen RDS(on) garantiert.

    Innoscience hat einen Layer für höhere Belastungen (Strain Layer) entwickelt, der einen niedrigen RDS(on) garantiert.

    Bild: Innoscience

  • GaN-Bauelemente von Innoscience zeigen über den gesamten Temperatur- und Spannungsbereich keine nennenswerte Drift des RDS(on).

    GaN-Bauelemente von Innoscience zeigen über den gesamten Temperatur- und Spannungsbereich keine nennenswerte Drift des RDS(on).

    Bild: Innoscience

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