Halbleitertechnologie von A bis Z

Wächst man eine dünne AlGaN-Schicht auf GaN, entsteht an der Grenzfläche durch spontane und piezoelektrische Polarisation ein extrem dünnes, hochbewegliches Elektronengas – das zweidimensionale Elektronengas (2DEG). Beide Polarisationsanteile addieren sich bei der üblichen Ga-polaren Wachstumsrichtung: Die spontane Polarisation entsteht durch die fehlende Inversionssymmetrie der Wurtzit-Kristallstruktur, die piezoelektrische Polarisation zusätzlich durch die mechanische Verspannung der dünnen AlGaN-Schicht auf dem darunterliegenden GaN. Die resultierende Polarisationsladung an der Grenzfläche zieht freie Elektronen an, die sich in einem nur wenige Nanometer dünnen Kanal direkt unterhalb der Grenzfläche sammeln.

Anders als beim Si-MOSFET braucht dieser leitfähige Kanal keine Dotierung: Er entsteht rein durch die Polarisationsladung an der AlGaN/GaN-Heterogrenzfläche und erreicht Elektronenbeweglichkeiten, die deutlich über denen von dotiertem Volumenmaterial liegen, weil die Elektronen im 2DEG räumlich von den ionisierten Störstellen getrennt sind, an denen sie sonst gestreut würden (ein Effekt, der als Modulationsdotierung bekannt ist und auch in III-V-HEMTs für die HF-Technik genutzt wird). Typische Flächenladungsträgerdichten liegen im Bereich von 1×10¹³ cm⁻², bei Beweglichkeiten von mehreren tausend cm²/Vs. Diese Struktur ist die Basis des HEMT (High Electron Mobility Transistor) und ermöglicht die im nächsten Absatz beschriebene extrem schnelle Schaltfähigkeit von GaN-Leistungstransistoren.

Eine Gate-Elektrode auf der AlGaN-Barriere steuert das 2DEG darunter: Legt man eine ausreichend negative Gate-Spannung an, verarmt der Kanal lokal unter dem Gate und der Transistor sperrt. Diese rein elektrostatische Steuerung des Kanals über das Gate-Feld unterscheidet sich fundamental vom Schaltmechanismus eines bipolaren Bauelements: Es müssen keine Ladungsträger injiziert oder ausgeräumt werden, sondern lediglich die vorhandene 2DEG-Ladung lokal verdrängt bzw. wiederhergestellt werden, was auf einer Zeitskala von wenigen Nanosekunden geschieht.

Da kein pn-Übergang und kein gespeicherter Minoritätsträger involviert ist, schaltet der GaN-HEMT extrem schnell und nahezu verlustfrei – ideal für hochfrequente Schaltnetzteile und Schnelllader, wo die Schaltverluste bei Si- oder selbst SiC-Bauelementen zunehmend limitierend wirken. In der Praxis erreichen kommerzielle GaN-HEMTs Schaltflanken im Bereich weniger Nanosekunden und ermöglichen damit Schaltfrequenzen im hohen kHz- bis MHz-Bereich, wo Si- und SiC-Bauelemente aufgrund ihrer höheren Schaltverluste und – bei SiC-MOSFETs – der zusätzlichen Gate-Ladung praktisch nicht mehr wirtschaftlich betrieben werden können. Diese hohe Schaltfrequenz erlaubt es wiederum, passive Bauteile wie Speicherdrosseln und Filterkondensatoren drastisch zu verkleinern, was den entscheidenden Systemvorteil von GaN in kompakten Anwendungen wie Ladegeräten ausmacht (siehe Anwendungskapitel).

Ein unbehandelter AlGaN/GaN-HEMT ist normally-on (D-Mode): Ohne Gate-Spannung leitet das 2DEG bereits, was aus Sicherheitsgründen (Fail-safe-Verhalten beim Ausfall der Gate-Ansteuerung) in der Leistungselektronik unerwünscht ist – ein Systemausfall der Gate-Treiberschaltung würde sonst dazu führen, dass der Transistor unkontrolliert leitend bleibt, statt sicher abzuschalten. Für praktisch alle Leistungsanwendungen wird daher ein normally-off-Verhalten (E-Mode) gefordert, analog zum Verhalten eines Si-Leistungs-MOSFETs.

Echte E-Mode-Bauelemente (normally-off) erreicht man z. B. durch eine p-GaN-Gate-Schicht, die das 2DEG unter dem Gate im Ruhezustand lokal verarmt. Physikalisch beruht das auf einer Verschiebung der Bandkante: Die ionisierten Akzeptoren (meist Magnesium) in der p-GaN-Schicht erzeugen ein eingebautes elektrisches Feld, das die Leitungsbandkante an der AlGaN/GaN-Grenzfläche direkt unter dem Gate über das Fermi-Niveau anhebt – dort fehlen im Ruhezustand freie Elektronen, das 2DEG ist lokal unterbrochen. Außerhalb des Gates, wo keine p-GaN-Schicht liegt, bleibt die Bandkante unterhalb des Fermi-Niveaus und der Kanal existiert dort ungehindert weiter. Erst eine positive Gate-Spannung oberhalb der Schwellspannung drückt die Bandkante lokal wieder unter das Fermi-Niveau und stellt den Kanal her. Die Schwellspannung von p-GaN-Gate-HEMTs liegt typischerweise nur bei 1 bis 2 V, was im Vergleich zu Si-MOSFETs (üblicherweise 2 bis 4 V) eine sorgfältigere Gate-Treiberauslegung erfordert, um Fehlschalten durch Störspannungen zu vermeiden. Eine verbreitete Alternative ist die Kaskodenschaltung: ein normally-on-GaN-HEMT in Serie mit einem niedervoltigen Si-MOSFET, der dem Gesamtbauelement von außen ein normally-off-Verhalten aufprägt. Dabei übernimmt der Si-MOSFET die Steuerung: Solange er sperrt, liegt seine Sperrspannung als negative Gate-Source-Spannung am GaN-HEMT an und hält diesen im Sperrzustand; schaltet der Si-MOSFET ein, fällt diese Spannung weg und der GaN-HEMT leitet. Dieser Ansatz erlaubt es, bewährte, unkritische Si-Gate-Treiber einzusetzen, bringt aber zusätzliche Verluste und parasitäre Kapazitäten durch den in Serie liegenden Si-MOSFET mit sich – ein Kompromiss zwischen einfacherer Ansteuerung und maximaler Performance.

Anders als SiC-MOSFETs sind kommerzielle GaN-Leistungsbauelemente heute fast ausschließlich lateral aufgebaut – Source, Gate und Drain liegen alle auf derselben Waferoberfläche, der Stromfluss verläuft horizontal statt vertikal durch den Chip. Diese Bauform steht im Gegensatz zu praktisch allen Si- und SiC-Leistungstransistoren, bei denen Source auf der Vorderseite und Drain auf der Waferrückseite liegen und der Strom senkrecht durch das Substrat fließt.

Grund ist die Heteroepitaxie auf Fremdsubstraten (siehe Kapitel 2): Vertikale GaN-Bauelemente bräuchten ein dickes, niederohmiges GaN-Volumenmaterial für den Rückstrompfad, das mit heteroepitaktischem GaN-on-Si praktisch nicht wirtschaftlich herstellbar ist, da das Silizium-Substrat elektrisch isolierend bzw. hochohmig bleiben muss und selbst als vertikaler Strompfad nicht taugt. Ein rein vertikales GaN-Bauelement würde daher ein natives, niederohmig dotiertes GaN-Substrat erfordern – genau die teure, in großen Durchmessern kaum verfügbare Substratklasse, deren Vermeidung ja gerade der Grund für die Heteroepitaxie war. Der laterale Aufbau umgeht dieses Problem elegant, indem der gesamte Stromfluss innerhalb der dünnen, hochwertigen epitaktischen GaN/AlGaN-Schicht an der Waferoberfläche stattfindet und das Substrat lediglich als mechanischer Träger dient. Vertikale GaN-Strukturen sind Gegenstand aktiver Forschung – unter anderem mit lokal strukturierten, niederohmigen Durchkontaktierungen durch das Substrat – aber noch nicht in Serienfertigung.