Galliumnitrid GaN, wird sich die Lage ändern?

Wenn man an Galliumnitrid (GaN) denkt, fallen den meisten Menschen Verbrauchsanwendungen wie Schnellladegeräte unter 650 V ein. Selbst wenn einige GaN-HEMTs (High Electron Mobility Transistors) eine Sperrspannung von 1200 V und eine Schaltleistung von 10 kW erreichen können, sind die Durchbruchspannungen kommerzieller lateraler GaN-Bauelemente immer noch begrenzt. Um GaN über den 650-V-Bereich hinaus zu bringen und es in Hochleistungsanwendungen von 10 kW bis 10 MW einsetzen zu können, wurde die vertikale Struktur entwickelt. Sie kann die Durchbruchspannung erhöhen, ohne die Chipgröße zu vergrößern, und verbessert die Zuverlässigkeit und die Wärmeverwaltung, indem sie das maximale elektrische Feld und die Wärme in das Substrat verlagert.

Das Problem von vertikalem GaN (vGaN) war bisher immer die Kosten. Die hohen Preise für Galliumnitrid-Wafer haben die wirtschaftliche Machbarkeit eingeschränkt. Doch diese Situation scheint sich zu ändern. ONsemi hat kürzlich bahnbrechendes vertikales GaN (Vertical GaN, vGaN) vorgestellt und Proben mit 700 V und 1200 V an Early Adopter-Kunden geliefert. Das Ziel ist es, in Bereiche wie AI-Datenzentren mit 800-V-Systemen, Elektromobilität und Energiespeicherung vorzudringen, die bisher dominiert wurden von Siliciumcarbid (SiC). Die Entwicklung von GaN nimmt einen neuen Verlauf.

Wird vGaN bald in Massenproduktion gehen?

Vor einigen Jahren hat NexGen, ein Spezialist für vGaN, kurz vor Weihnachten 2023 die Insolvenz angemeldet. Die Fabrik wurde geschlossen und die Mitarbeiter entlassen. Im Januar 2025 hat ONsemi die ehemalige Galliumnitrid-Waferfabrik von NexGen Power Systems in DeWitt, New York, für 20 Millionen US-Dollar erworben, einschließlich des geistigen Eigentums von NexGen und der Ausrüstung der Fabrik in DeWitt.

NexGen hatte zuvor beachtliche Fortschritte im Bereich vGaN erzielt. Im Februar 2023 kündigte NexGen an, Proben von GaN-Bauelementen mit 700 V und 1200 V anzubieten. Im Juli 2023 gab NexGen bekannt, dass das Projekt zur Entwicklung eines GaN-Hauptantriebs in Zusammenarbeit mit General Motors von der US-amerikanischen Energiebehörde (DoE) gefördert wird. Das Projekt zielt auf die Entwicklung eines elektrischen Antriebssystems mit vGaN-Bauelementen von NexGen. Doch die Geschichte von NexGen endete abrupt mit der Insolvenz.

Jetzt hat ONsemi nach der Übernahme von NexGen vGaN wiederbelebt und ist die erste Firma, die vGaN in Massenproduktion bringen will. Auf seiner Website hat ONsemi ausführlich über die neuesten Fortschritte von vGaN berichtet, nachdem es NexGen übernommen hat.

Für vGaN ist eine stabile Herstellung und Lieferung von größter Wichtigkeit. Aus den Präsentationsfolien wird ONsemis Ehrgeiz deutlich: Die Forscher der Firma arbeiten seit über 15 Jahren an dieser Technologie und besitzen mehr als 130 Patente. Die Forschungsarbeiten werden in einer Reinraumanlage mit einer Fläche von 66.000 Quadratfuß durchgeführt, die speziell für die Produktion von vGaN ausgestattet ist. Die nächste Generation von GaN-auf-GaN wird in ONsemis Waferfabrik in Syracuse, New York, entwickelt und hergestellt.

Laterale GaN-Bauelemente basieren üblicherweise auf Fremdsubstraten wie Silicium (Si), Siliciumcarbid (SiC) oder Saphir, also GaN-auf-Si/SiC/Saphir. Bei vGaN-Bauelementen tritt das maximale elektrische Feld jedoch oft weit weg von der Oberfläche auf, weshalb hauptsächlich homogene Substrate verwendet werden, d. h. GaN-Selbsttragende Substrate, also GaN-auf-GaN. Da GaN-auf-GaN bisher teuer war, haben einige Unternehmen oder Teams sich für die Forschung an GaN-auf-Si entschieden.

ONsemis vGaN verwendet eine homogene Epitaxie-Struktur von GaN-auf-GaN. ONsemi hat auch eine Präsentationsfolie veröffentlicht, die die Vorteile von GaN-auf-GaN zeigt:

Der Kernprozess verwendet ONsemis proprietäre GaN-Wachstumstechnologie, um eine dicke und defektfreie GaN-Schicht direkt auf dem GaN-Wafer zu wachsen. Dies erfordert hochpräzise Epitaxietechniken und innovative Herstellungsmethoden. p-GaN und n-GaN werden durch Epitaxie gewachsen. Bemerkenswerterweise hat ONsemi ein Schlüsselproblem gelöst: Es hat die Technologie zum Wiederwachstum von p-GaN auf strukturierten Oberflächen beherrscht (die Dotierung von GaN muss während des Epitaxiewachstums in-situ erfolgen, was für p-GaN sehr schwierig ist) und besitzt mehrere Patente für diese Technologie.

Das Kristallgefüge von vGaN weist eine hexagonale Wurtzitstruktur auf, die einzigartige elektronische und optische Eigenschaften hat. Es hat eine hohe Bindungsstärke, wenige Eigendefekte und ist stabiler und zuverlässiger als herkömmliche Materialien wie Si, SiC und laterales GaN. Das Wachstum bei sehr hohen Temperaturen verbessert zusätzlich die Stabilität und Leistung der vGaN-Bauelemente.

Zweitens ist die Realisierung von Bauelementen auch ein wichtiges Thema für vGaN. Laut der Präsentation von ONsemi hat es sich für die Verwendung von e-JFETs (Junction Field-Effect Transistors) entschieden, um skalierbare, hochleitende Leistungsschalter zu bieten. Dies ermöglicht einen niedrigen Gesamtleitwiderstand RDS(ON) und eine vollständige Lawinendurchbruchfähigkeit.

Laut ONsemis Angaben hat es bereits Proben von Bauelementen mit 700 V und 1200 V an Early Adopter-Kunden geliefert. Durch technische Demonstrationen kann eine Spannungsklasse von bis zu 3300 V erreicht werden.

In Bezug auf Effizienz und Größe hat vGaN auch eine Verringerung des Energieverbrauchs und der Wärmeentwicklung ermöglicht. Dadurch kann der Leistungswandler auf die Größe eines Taschenbuches verkleinert werden, was eine Miniaturisierung und hohe Integration des Systems ermöglicht.

Schließlich sind die Anwendungen auch von großer Bedeutung. ONsemi glaubt, dass vGaN die gegenwärtigen Marktbedürfnisse vollständig befriedigen kann. Es kann die Anforderungen von AI-Datenzentren an eine höhere Rechenleistung, die Anforderungen von Elektrofahrzeugen an eine längere Reichweite und schnellere Ladung sowie die Anforderungen von erneuerbaren Energiequellen an eine Kostensenkung und Effizienzsteigerung erfüllen. Darüber hinaus kann es die Engpässe herkömmlicher Materialien wie Si und SiC in Bezug auf Effizienz und Größe überwinden. Die Materialeigenschaften von GaN eignen sich von Natur aus für Hochfrequenzanwendungen:

Natürlich stellt sich die Frage, wie GaN und SiC in Hochleistungsanwendungen aufgeteilt werden sollen. ONsemi, ein Unternehmen mit langjähriger Erfahrung in der Entwicklung von SiC, hat die Antwort gegeben: Die Technologien IGBT, SiC, SJ und vGaN überlappen teilweise, aber jeder hat seine eigenen Stärken:

Warum ist die vertikale Struktur besser als die laterale?

Vielleicht fragen sich manche, warum die Durchbruchspannung von Bauelementen höher ist, wenn der Stromfluss von lateral auf vertikal umgestellt wird, und warum GaN dann auch in Anwendungen über 650 V und sogar bis zu 3300 V eingesetzt werden kann.

Der Vorteil der vertikalen Struktur liegt darin, dass die Lawinendurchbruch-Effekt leichter ausgelöst werden kann. Wenn die Spannung die Durchbruchspannung überschreitet, tritt der Lawinendurchbruch zunächst über die rückwärts gepolte Gate-Source-Diode auf. Mit zunehmendem Lawinenstrom steigt die Gate-Source-Spannung an, was den Kanal des Bauelements öffnet und es leitend macht. Diese Lawinen-Eigenschaft ist der Schlüssel zur Selbstschutzfunktion des Bauelements: Wenn die Spannung oder der Strom an den Bauelementenden einen Spitzenwert erreicht, kann das Bauelement mit dieser Eigenschaft die elektrischen Überspannungen absorbieren und so seinen normalen Betrieb aufrechterhalten.

Darüber hinaus fließt der Strom in vGaN-Halbleitern vertikal durch die Materialschichten, was den Flächenwiderstand erheblich verringert. Dadurch kann die Energieeffizienz erhöht und der Leistungsverlust bei der Stromwandlung verringert werden. Dies macht vGaN besonders geeignet für Anwendungen wie Inverter in Elektrofahrzeugen und andere Hochfrequenz- und Hochleistungssysteme.

vGaN-Bauelemente haben auch strukturelle Vorteile. Einerseits kann die Spannungsklasse eines Bauelements erhöht werden, indem die Dicke der Driftzone (die hauptsächlich für den Stromfluss verantwortlich ist) innerhalb des Transistors erhöht wird, ohne die Bauelementfläche zu vergrößern. Dadurch kann es für Anwendungen mit höherer Spannung eingesetzt werden. Andererseits hat es eine größere Fläche für den Stromfluss, was es in der Lage macht, höhere Stromdichten zu tolerieren und auch bei hohen Strömen stabil zu arbeiten.

Wie kann man unterscheiden, ob ein Bauelement vGaN oder laterales GaN ist? Tatsächlich muss man auf das Wafer zurückgreifen. Obwohl das Wafer nur ein dünner Scheibchen ist, hat es eine Vorderseite und eine Rückseite. Wenn die Gate-Elektrode (G), die Source-Elektrode (S) und die Drain-Elektrode (D) alle auf der Vorderseite sind, aber der Elektronenweg so gestaltet ist, dass die Elektronen "von der Source vertikal nach unten, lateral durch die Epitaxieschicht und dann vertikal nach oben zur Drain" fließen, wird es als quasi-vertikales (Quasi-vertical) GaN bezeichnet. Wenn G und S auf der Vorderseite und D auf der Rückseite sind, handelt es sich um voll-vertikales (Full-Vertical) GaN.

Bei lateralen GaN-Bauelementen wird häufig die HEMT (High Electron Mobility Transistor)-Technologie verwendet. Im Vergleich zu herkömmlichen Silicium-Leistungstransistoren haben GaN-HEMTs signifikante Leistungsvorteile und die Kosten werden immer geringer. Ein weiterer Vorteil der lateralen Struktur ist die Möglichkeit, aktive oder passive Bauelemente auf einem GaN-Leistungs-HEMT-Chip zu integrieren, um Funktionen wie Gate-Treiber, Sensoren oder Schutzschaltungen zu realisieren. Dies wird als GaN-Leistungs-IC oder GaN-Leistungs-Integration bezeichnet.

Allerdings hat die HEMT-Struktur den Nachteil, dass bei der Epitaxie auf einem Fremdsubstrat (heteroepitaktisches Wachstum) viele Gitterdefekte in der Kristallschicht auftreten. Bei GaN, das auf Silicium gewachsen wird, beträgt die Defektdichte 10⁸ bis 10¹⁰ cm⁻². Diese Defekte beeinträchtigen die Zuverlässigkeit der Bauelemente bei hohen Spannungen. Daher gibt es derzeit keine GaN-HEMTs auf dem Markt, die für Spannungen über 900 V spezifiziert sind. Die meisten Bauelemente haben eine maximale Betriebsspannung von 650 V.

Schematische Darstellung einer GaN-auf-Si-HEMT-Struktur, Quelle: NexGen

Es gibt fünf Hauptmethoden zur Herstellung von vGaN-Bauelementen:

Trench-MOSFET (Trench Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor);

FinFET (Fin Field-Effect Transistor);

JFET (Junction Field-Effect Transistor);

Vertikale Schottky-Diode (SBD - Schottky Barrier Diode);

CAVET (Current Aperture Vertical Electron Transistor).

Verschiedene Hersteller haben verschiedene Ansätze gewählt: Das Sandia National Laboratory und die Shandong University/Huawei verwenden Trench-Gate-Vertikal-MOSFETs, ONsemi (NexGen) verwendet JFETs, Odyssey verwendet Planar-Gate-MOSFETs und FinFETs, und Zhongjia Technology verwendet vertikale GaN-auf-GaN-SBDs.

Der CAVET ist etwas speziell. Er hat die gleiche Heterostruktur und das gleiche Gate-Modul wie ein herkömmlicher HEMT. Im CAVET besteht die Source-Region aus einem zweidimensionalen Elektronengas (2DEG), das in einem GaN-Kanal in der Nähe der AlGaN/GaN-Grenzfläche gebildet wird, ähnlich wie in einem HEMT. Ein Trench-Loch verbindet das 2DEG mit der Drain-Region, die in der n-G