3D Konzepte für die Galliumnitrid-Elektronik

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Waag; Professor Dr. Bernd Witzigmann
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 284575374

Elektronische Bauelemente auf der Basis von Gallium-Nitrid (GaN) sind heute als High Electron Mobility Transistors (HEMTs), u.a. in der mobilen Kommunikationstechnik, im breiten Einsatz. Auf Grund der hohen Durchbruchfeldstärke von GaN (3 MV/cm) sowie den potentiell hohen Betriebstemperaturen eignet sich GaN grundsätzlich auch für Anwendungen in der Leistungselektronik, insbesondere im Mittelspannungs-Bereich. Die Weiterentwicklung der GaN-Elektronik im Allgemeinen, und speziell der GaN-basierten Leistungselektronik, wird allerdings durch einige Einschränkungen des GaN-Ausgangsmaterials sowie der heute verwendeten Bauelement-Designs beeinträchtigt. Hierzu gehören u.a. hohe Defektdichten der auf Silizium abgeschiedenen GaN-Schichten, hohe Leistungsdissipation im dynamischen Betrieb und das nicht-ideale Durchbruch-Verhalten.Vertikale Bauelement-Geometrien (wie z.B. IGBTs) haben sich in der Silizium-basierten Leistungselektronik als sehr wirkungsvoll erwiesen, sind allerdings momentan nicht auf GaN übertragbar, da hochwertige GaN-Substrate auf Grund ihrer viel zu hohen Kosten nicht industriell verfügbar sind. Die heutige GaN-Technologie beruht auf planaren HEMT-Designs, das ein 2-dimensionales Elektronengas an der AlGaN/GaN Grenzfläche ausnutzt.Im vorliegenden Projekt sollen vertikale Bauelement-Konzepte auf der Basis von völlig defektfreien 3D-GaN-Nanosäulen erforscht und entwickelt werden. 3D-GaN-Nanosäulen-FETs haben das Potential, viele der Herausforderungen konventioneller GaN-basierter HEMT-Planartechnologie zu umgehen. So sind GaN-Nanosäulen z.B. völlig defektfrei und können auch auf sehr großen Substraten ohne großflächige Verspannung abgeschieden werden. Zunächst allerdings müssen grundlegende Fragestellungen zur Herstellung, Prozessierung, dem Design und den Eigenschaften der 3D-FETs beantwortet werden.Im vorliegenden Projekt soll das Potential 3-dimensionaler GaN Nanosäulen als Basis für vertikale GaN-Bauelemente u.a. für die Leistungselektronik untersucht werden. Die Projektidee basiert auf dem erreichten Stand der Technik in den beteiligten Arbeitsgruppen bezüglich der Herstellung von großflächigen, gleichmäßigen Arrays von GaN-Nanosäulen mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE, TUBS), deren Prozessierung und Analyse, unterstützt von einem erweiterten theoretischen Verständnis der Eigenschaften derartiger Strukturen (UKAS). Das Projekt zielt auf die Erforschung und die Weiterentwicklung zentraler Prozesse und Bauelement-Strategien für eine zukünftige vertikale GaN-MOSFET-Technologie. Vertikale Bauelement-Konzepte erlauben das direkte Hochskalieren zu großflächigen Bauelementen mit Millionen parallel verschalteter nanoFETs mit vertikalen Strompfaden, die das Schalten von sehr hohen Strömen in Kombination mit interessanten 3D-Konzepten für die Entwärmung erlauben werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen