Annons

GaN ger stora fördelar där effekt krävs

Under 2010 bildades företaget EpiGaN som ”spin of” från det belgiska forskningsinstitutet Imec, med en inriktning på halvledare i galliumarsenid på kiselsubstrat, GaN på Si-wafers. Tekniken kombinerar de fördelar GaN HEMT kan ge med möjligheten att producera billigt på kisel. Marianne Germain, vd och grundare av EpiGaN ger här en bakgrund till fördelarna med att producera GaN HEMT på kiselwafers.

 

 

 

Tack vare sitt stora bandgap, i kombination med andra fördelar uppvisar GaN överlägsen verkningsgrad vid höga spänningar. Detta banar väg för att ersätta konventionella effekthalvledare i kisel för höga spänningar med GaN HEMT (high-electron mobility transistor). Sådana GaN-komponenter kommer att möjliggöra effektivare kraftomvandlare, kraftaggregat, motordrivare, växelriktare (invertrar) för solceller och transportsystem – alla med ett mindre ekologiskt fotavtryck.
EpiGaN öppnade officiellt sina portar den 23 maj i år inom Research Campus Hasselt (RHC) i Belgien. I den livaktiga triangeln för högteknik, med noderna Eindhoven-Leuven-Aachen, ligger detta campus som utgör en bas för de renrumsanläggningar som krävs för att producera GaN-på-Si.
EpiGaN kan nu erbjuda ”state-of-the-art” epitaxiell deposition utan sprickor, på Si-wafers upp till 150 mm, eller på SiC-wafers för speciella tillämpningar. Utveckling för att kunna utnyttja 200 mm wafers pågår. Möjligheten till att kunna processa större wafers i CMOS-fabriker är en förklaring till varför GaN-på-Si-tekniken utmärker sig i fråga om låga kostnader i kombination med höga prestanda.
 
Lovande GaN-teknik
Med sina överlägsna egenskaper är GaN ett lovande material för effektswitchar som arbetar med signifikant högre frekvenser utan att det leder till förluster. Orsaken är den drastiskt mycket lägre on-resistansen i GaN-transistorer i kombination med väsentligt lägre in- utkapacitanser. Den högre switchfrekvensen minskar kraftigt volymen hos omgivande passiva komponenter som induktorer, strömtransformatorer och kondensatorer.
Det betyder att i framtiden kommer volymen hos kraftsystem att kunna göras mycket mindre och därför även fås med lägre vikt. I ett längre perspektiv kommer effektelektronik med GaN att kombinera dessa signifikant förbättrade egenskaper med lägre kostnader. Verkningsgraden för dagens system begränsas till stor del av de aktiva komponenter som används.
För att snabba upp utvecklingen av denna framtidsorienterade, energibesparande effektteknologi har EU upprättat ett treårigt forskningsprojekt, kallat HiPoSwitch. EpiGaN deltar i hög grad i dessa ansträngningar.
HiPoSwitch har en total budget på 5,6 miljoner euro. EU bidrar till detta med 3,6 miljoner euro. Åtta europeiska partners i detta program täcker hela värdekedjan, från akademisk forskning och utveckling (Ferdinand-Braun-institutet, Leibniz-institutet för högfrekvensteknik, slovakiska vetenskapsakademin, Wiens tekniska universitet, universitetet i Padua) till industrideltagare ( Aixtron SE, Artesyn i Österrike, EpiGaN och Infineon Technologies i Österrike). Målet är att kommersiellt tillverka GaN effekttransistorer och 200 mm GaN på kiselsubstrat och marknadsföra dem över hela världen. HiPoSwitch koordineras av Ferdinand-Braun-Institute i Berlin.
Den europeiska rymdstyrelsen, European Space Agency (ESA) har investerat avsevärda belopp i att etabliera en europeisk värdekedja för GaN-komponenter för rymdbruk. Det gäller särskilt i ”GREAT”-projektet. Idag stödjer de också EpiGaN i etableringen av en europeisk materialkedja för GaN genom ett treårskontrakt med syfte att producera material både för RF och för högspänningsapplikationer för leverantörer av rymdmateriel.


Fig 1. Epi-strukturen.

Alla dessa ansträngningar lovar gott för att transistorer i GaN på Si skall kunna ta en stor del av marknaden för effekthalvledare.
– Att gå från potential till succé hänger på att kunna skala upp produktionen för att kunna hantera stora wafer-storlekar och att använda passande passiv teknik, enligt Marianne Germain, Joff Derlyn och Stefan Degroote.
Det finns en enorm möjlighet, säger EpiGaN-grundarna, att realisera substantiella minskningar av energiförluster vid AC/DC-, DC/DC-omvandling. Om en ny generation elektronikkomponenter kan kombinera höga effektnivåer med lägre switchförluster på högre frekvenser kommer de att höja verkningsgraden i effektsystem samtidigt som storlek och vikt bantas.

Att göra nitrider billiga
Halvledare med brett bandgap, som GaN på Si, tillhör en överlägsen klass av material vilket leder till följande:
En av de största fördelarna är deras höga genombrottsspänning. Det beror på att fältstyrkan kan vara 10 gånger så hög som för kisel.
Tack vare den höga elektronrörligheten och den koncentration som den tvådimensionella elektrongasen (2DEG) ger i en AlGaN/GaN-heterostruktur kan nitridkomponenter i switchapplikationer också kombinera en låg resistans med snabb switchning. Det stora bangapet gör att de kan arbeta på höga temperaturer.
Utvecklingen av nitrid-effektkomponenter har pågått i årtioneden och deras framgång har möjliggjort dagens switchkomponenter för att konkurrera ut sina rivaler i kisel. Deras prestanda utmärks av hög spänningstålighet (>1200 V). SiC är en tuffare komponent, men GaN håller sin ställning väl.
GaN på kisel är den mest kostnadseffektiva tekniken för brett bandgap. Den har utvecklats till en punkt där det är möjligt att deponera avancerade heterostrukturer på kiselsubstrat upp till 150 mm diameter. I en nära framtid kommer denna teknik att utsträckas till 200 mm kisel. Det finns också en möjlighet att utveckla processer om liknar vanlig CMOS-teknologi. Detta öppnar dörren för ytterligare kostnadsminskningar genom att dessa wafers kan gå igenom världens alla 200 mm kisellab.
det är inte så konstigt att GaN-teknik för effekttillämpningar i hög grad attraherar investerarna i ökad grad. Men ännu har ingen stått för ett verkligt kommersiellt genombrott, nämligen av en tillförlitlig komponent för 600 V. En av utmaningarna är att etablera en halvledarteknik med blandat material (compound) inom ett område där kisel dominerar. Och många potentiella användare har blivit sargade av sina erfarenheter av SiC. Även om prestanda hos SiC-dioder attraherar tillverkare av effektomvandlare är priserna alltför höga. Dessutom, fram till nyligen, kunde dessa dioder inte paras samman med SiC-transistorer – vilket sätter käppar i hjulet för marknadens första lösningar med brett bandgap.
Ett annat skäl till bristen på kommersiellt attraktiva och tillförlitliga 600 V komponenter, och för högre spänningar än så, är att det är tufft att tillverka epitaxiella strukturer av GaN på kisel, vilket är utgångspunkten för att tillverka kraftelektronik.
Det är den utmaning som EpiGaN måste tackla. Företaget bildades som ett spin-off från det stora internationella forskningscentrat för nanoelektronik i Leuven, Belgien. EpiGaN bygger på den expertis som har vuxit fram inom Imec. De har varit involverade i GaN sedan 2001. Bland deras viktigaste succéer är världens första HEMT-struktur 150 mm wafer med lågresistiv yta, 2006, och de första 200 mm epi-wafers med GaN på kisel, något som gjordes i samarbete med MOCVD-tillverkaren Aixtron.
Den väg EpiGaN har gått skiljer sig från många andra spelares: Dessa utgår från SiC som substrat för sina nitridkretsar. EpiGaN fokuserar i stället på GaN på kisel eftersom detta ger kostnadsfördelar. Initialt utvecklade företaget materialet för RF-komponenter (epi-wafers för RF-tillämpningar). Men med de givna fördelarna hos GaN på kisel var det uppenbart att i stället inrikta sig på den lukrativa halvledarmarknaden för effekttillämpningar.
De kommersiella kandidaterna för GaN på kisel har attraherat en stark investeringsgrupp, bland dem Robert Bosch Venture Capital, fonden Capricorn Cleantech och LRM. Dessa investerare har utnyttjats för att bygga upp en fabrik för att tillverka GaN epi-wafers med hjälp av MOCVD, vilket startades i maj 2012.

Avlägsna spänningar
EpiGaNs epitaxiella tillväxtprocess tar sig an de mekaniska spänningar i gittret som uppkommer när GaN deponeras på kisel. De två materialen visad olika kristallinska förhållanden och termiska utvidgningskoefficienter. Om detta inte undersöks först kan det leda till icke undersökta sprickor i epi-lager och substrat vilka skulle kunna leda till att wafern buktar sig eller till och med spricker.
Genom att noggrant hantera denna spänning kan man göra det möjligt att låta wafers gå igenom en vanlig produktionslina för kisel. EpiGaN tillverkar nu 150 mm epi-wafers som buktar mindre än 50 µm, eller typiskt 20 till 30 µm beroende på waferns specifikationer. Likformighet, angiven som standardavvikelse hos antingen lagertjocklek eller elektrisk karakteristik, anges till typiskt bättre än 3 procent.
Att konstruera med avseende på stress i materialet är en utmanande aspekt i att forma GaN på kisel. Ett ännu mer utmanande ämne är passivering av ytans skick. I sin egenskap av ett piezoelektriskt material har GaN en utmärkt hög elektronkoncentration i samband med hög elektronrörlighet, vilket kan uppnås utan extra dopning.
Men det finns ett högt pris att betala: enhetens egenskaper, såsom strömtäthet och tröskelspänning, regleras med extrem känslighet för ifyllning av dessa ytors skick, vilka har en densitet som skall jämföras med den man återfinner i kanalen. Om passiveringen är dåligt utförd kommer komponentnens dynamik att bli lidande. För att komma förbi detta så kallade dispersionsproblem måste komponenten processas på ett speciellt sätt genom att använda högkvalitets epi-wafers, eftersom detta leder till optimerade buffertar och kontrollerade yttillstånd.
Okontrollerad laddning eller urladdning av dessa yttillstånd, vilka kan modifieras under processen och vid komponentens drift, kan i hög grad degradera kretsens dynamiska egenskaper. För att förhindra detta deponerar EpiGaN ett unikt in-situ SIN täckande lager, vilket odlas med hjälp av MOCVD som en del av den epitaxiella processen ovanpå HEMT-epi-wafers.
Gränssnittet mellan detta övertäckande lager och övre nitridytan är fantastiskt mjuk och den möjliggör en perfekt passivering av ytans beskaffenhet. Se fig 1.
Det övertäckande lagret kan på bästa sätt styra utfyllningen av ytan när kretsen arbetar. Man kan anta att SiN kan ge tillräcklig laddning för att neutralisera ytladdningen hos AlGaN-barriärlagret så att dess ytpotential inte längre bidrar till 2DEG-tömning. Dessutom ger SiN-lagret stabilitet vid förhöjda temperaturer.
Den in-situ deponerade SiN-filmen kan också leda till drastisk reduktion av kanalresistansen. Detta möjliggör justering av den övre delen av FET så att den kan uppfylla speciella komponentspecifikationer. GaN FETar är laterala komponenter och att optimera deras prestanda kräver att ledningsförlusterna trimmas. För switchtillämpningar innebär det att man föredrar aluminiumrika barriärer i en typisk AlGaN/GaN-struktur. Orsaken är att detta leder till ett högre piezoelektriskt fält, högre strömtäthet och lägre specifik on-resistans.
En av de viktiga fördelarna med ett övertäckande SiN-lager är att det möjliggör högre aluminiumkoncentration utan någon signifikant materialdegradering. Så är inte fallet i transistorstrukturer med oövertäckt eller GaN-övertäckt AlGaN/GaN 2DEG där avlastningen av det uttöjda översta AlGaN-lagret typiskt förhindrar låg kanalresistivitet.
Fig 2 visar den detaljerade uppbyggnaden an SiN/AlN/AlGaN-konstruktionen. Ytresistansen sänks till 235 ohm/· med EpiGaNs passiveringsteknik. I denna struktur indikerar Hall-mätningar att ytkoncentrationen av elektroner är 2,15×1011 cm-2 och elektronrörligheten är 1 250 cm2/Vs. Siffrorna är mycket lovande och de möjliggör tillverkning av komponenter med hög transkonduktans, även om gate-längden är relativt lång. De lyfter fram potentialen för att använda dessa komponenter i högfrekvenssammanhang.


Fig 2. Här ser vi den likformiga, jämna utbredningen av SiN.

Den neutraliseringen av ytladdningar som SiN-lagret ger öppnar också dörren för ett innovativt sätt att göra komponenter i återvinningsmode (enhancement-mode). Denna form av transistor, som behövs för kraftomvandlare, kan åstadkommas genom att kombinera ett tunt lager av AlGaN med att lokalt avlägsna SiN under gaten.
Genom att erbjuda en mycket mjuk, ren och likformigt skyddad yta för aktiva lager kan användningen av in-situ SiN också utöka möjligheten till att styra tillverkningen ytterligare för att minska potentiell beblandning när man använder III-V-material i en Si CMOS-fabrik. Den utmärkta jämnheten i in-situ SiN-lagret framgår av fig 3.

Från 600 V till 1,2 kV
Idag kan EpiGaN tillverka GaN på kiselwafers med en genombrottsspänning på över 600 V och med mycket låga läckströmmar. Men detta är på intet vis den övre gränsen för genombrottsspänning i dessa komponenter. I ett arbete nyligen åstadkoms FET med en genombrottsspänning över 2 kV.
GaN kan redan nu användas för att göra kraftprodukter i områdena 30 till 200 och 600 V och det dröjer inte länge innan det på listan kommer till varianter som kan arbeta på 1 200 V. Detta kommer att bana väg för att ersätta två MOSFET i kisel med en enda GaN HEMT, något som kommer att banta kostnad och vikt i kraftomvandlare. För att åstadkomma detta fokuserar EpiGaN på att utveckla 1 200 V epi-wafers på 150 mm kisel.


Fig 3. Denna ”batch” av GaN på 6 tums kiselwafers är tillverkad av EpiGaN.

Framtida produkter som bygger på denna process kommer att komplettera existerande utbud av 4 tums och 150 mm epi-wafers för hög spänning och för högfrekvenstillämpningar.
Produktionskapaciteten för dessa produkter rampas för närvarande upp vid den nya fabriken i Haselt. Parallellt med detta utvecklas tillverkningsprocesser för 200 mm GaN epi-wafers.
Även om efterfrågan av dessa större epi-wafers är mindre än för dem med 150 mm diameter, eller mindre, leder större format till kostnadsbesparingar och gör det möjligt för GaN att skapa framgång på områden där, fram till nu, inga halvledare med förenade material (compound semiconductors) på allvar har utmanat kisel.
Marianne Germain, vd för och grundare av EpiGaN

Comments are closed.