GaN & AlN

Wir entwickeln die HVPE-Züchtung von GaN-Volumenkristallen mit bis 4“ Durchmesser. Der Prozess wird in Richtung auf ein hohes gleichmäßiges V/III-Verhältnis entlang der wachsenden Grenzfläche optimiert, indem in-situ-Prozessdaten, ex-situ-bestimmte Kristalleigenschaften mit Ergebnissen aus der numerischen Modellierung des Wachstumsprozesses verglichen werden. Wir sind Vorreiter bei der PVT-Züchtung von AlN-Kristallen, indem wir unsere einzigartige N-Face-Technologie verwenden. Der Fokus liegt auf einem tieferen Verständnis der Wachstumsmechanismen und dem Upscaling auf 2” Durchmesser. In unserer Wafering-Linie erforschen wir fortschrittliche GaN- und AlN-Kristallpräparationstechnologien für epi-ready Wafer. Diese Wafer werden in unserer F&E-Reinraumlinie verwendet, um darauf Testbauelemente für ein schnelles Feedback zur Materialqualität zu prozessieren.

© Fraunhofer IISB
Synchrotron-Weißlicht-Topographie "SWBXRT"
© Anja Grabinger / Fraunhofer IISB
AlN Kristall
© Fraunhofer IISB
AlN Wafer

Leistungen

  • Züchtung von GaN- und AlN-Kristallen
  • Epitaxie von AlGaN auf GaN-, AlN- und Saphir-Substraten bis 4” Durchmesser
  • Simulation von Wärme- und Stofftransport des HVPE- und PVT-Prozesses
  • Identifizierung kritischer Bauelementdefekte in Nitriden
  • Charakterisierung von Kristallen und epitaktischen Strukturen:
    • Abbildung ausgedehnter Defekte durch Röntgentopographie
    • Defektselektives Ätzen
    • Kathodolumineszenz
    • Photolumineszenz
    • Raman- und FTIR-Spektroskopie
  • Untersuchung der elektrischen Eigenschaften ausgedehnter Defekte durch leitfähige Rasterkraftmikroskopie und EBIC Messungen und bildgebende Verfahren
© Fraunhofer IISB
Einbau einer GaN Probe in einem speziellen Ofen zum defektselektiven Ätzen
© Fraunhofer IISB
Das Fraunhofer IISB verfügt u.a. über ein Wafering-Labor zum Sägen von GaN- und AlN-Kristallen in Wafer.
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Die „epi-ready“-Qualität von GaN- und AlN-Wafern nach dem Schleifen, Polieren und Reinigen wird am IISB durch AlGaN-Epitaxie bei Temperaturen bis zu 1450 ° C kontrolliert.

Erster Aluminium-Nitrid-Kristall mit 43 mm Durchmesser

Erster Aluminiumnitrid-Kristall mit 43 mm Durchmesser, gezüchtet am Fraunhofer IISB

2022 ist es uns gelungen, einen Aluminiumnitrid (AlN)-Kristall mit 43 mm Durchmesser in technologierelevanter Qualität zu züchten.

Die Verfügbarkeit von AlN-Kristallen bzw. AlN-Wafern in ausreichender Größe und Qualität ist der Schlüssel für die Herstellung hochleistungsfähiger elektronischer Bauelemente auf AlN-Basis. Aluminiumnitrid bietet als Halbleiter eine extreme Durchbruchsfeldstärke, eine hohe Materialqualität, eine geringe Menge an Defekten und eine sehr gute thermische Leitfähigkeit.

Aufgrund der besonderen physikalischen Eigenschaften von Aluminiumnitrid können AlN-basierte Bauelemente für Leistungselektronik eine Performance jenseits der von Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) erreichen. Daher eignet sich Aluminiumnitrid für die Herstellung extrem verlustarmer Transistoren und besitzt das Potential, sich in Zukunft zum wichtigsten Ultra-Wide-Band-Gap-Halbleiter (UWBG) für die Leistungselektronik zu entwickeln.

Für unser Institut ist dieses Ergebnis ein wesentlicher Schritt zum Erreichen eines wichtigen Meilensteins innerhalb des vom BMBF geförderten Projekts LeitBAN. Dieser Erfolg wurde durch die BMBF-Initiative zur Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) möglich.

YESvGaN – Vertikale GaN-Leistungstransistoren in kostengünstiger Technologie

© Christian Huber / Robert Bosch GmbH
Freie und intakte GaN-Membranen auf einem Si-Trägerwafer.

Die Partner im Projekt YESvGaN entwickeln eine neue kostengünstige Wide-Bandgap (WBG)-Leistungstransistor-Technologie, die hocheffiziente leistungselektronische Systeme für Elektromobilität, Industrieantriebe, erneuerbare Energien und Rechenzentren ermöglicht.

Das Hauptziel des Projekts ist die Demonstration innovativer vertikaler Galliumnitrid (GaN)-Leistungstransistoren, die auf einem preisgünstigen Substrat wie Silizium hergestellt werden. Diese sogenannte vertikale Membranarchitektur verbindet die hervorragenden Eigenschaften von GaN als WBG-Leistungstransistor-Material mit den Vorteilen einer vertikalen Architektur hinsichtlich Strom- und Spannungsrobustheit, und das zu Kosten, die mit denen für Silizium-IGBTs vergleichbar sind. YESvGaN addressiert die gesamte Wertschöpfungskette – von Substrat-, Epitaxie-, Prozess- und Verbindungstechnologie bis hin zu Anwendungen in leistungselektronischen Systemen. Im YESvGaN-Konsortium bringen 23 Industrie- und Forschungspartnern aus 7 europäischen Ländern ihre Kompetenz und Erfahrung ein.

Das Fraunhofer IISB trägt entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu YESvGaN bei, unter anderem durch:

  • Analyse von Epitaxieschichtstapeln und Kristalldefekten, Entwicklung innovativer Verfahren zur Messung der elektrischen Eigenschaften von Defekten und dünnen Membranen
  • Definition neuer Prozesse für das Handling von dünnen Membranen beim Packaging und Keramik-Embedding
  • Elektrische Charakterisierung neuartiger Leistungsbauelemente, Entwicklung eines elektrischen Simulationsmodells und Design eines Halbbrücken-Leistungsmoduls

Pressemeldung über die aktuellen Aktivitäten des Projekts (Nov. 2022)

YESvGaN Homepage

Innovative Reliable Nitride based Power Devices and Applications

European Union funded project "InRel-Power"

Kernthemen

Erkunden Sie unsere Aktivitäten in den Bereichen Kristallzüchtung, Epitaxie und Bauelementprozessierung einschließlich Charakterisierung und Modellierung