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Laterale AlN-Transistoren

GaN-basierte Schalttransistoren für leistungselektronische Anwendungen haben die Materiallimits bezüglich des Einschaltwiderstands bei gegebener Sperrspannung noch nicht erreicht. Eine Ursache dafür liegt in der nötigen Kompensationsdotierung der GaN-Pufferschicht und der dabei hervorgerufenen Dispersionseffekte beim Hochspannungsschalten. Daher ersetzen wir die dotierte GaN-Pufferschicht durch das Material Aluminiumnitrid (AlN).

Im Waferprober ankontaktierte AlN-Transistorstruktur auf einem AlN-auf-SiC-Wafer
Im Waferprober ankontaktierte 120 mOhm/1200 V AlN-Transistorstruktur auf einem 4" AlN-auf-SiC-Wafer

Schema des weiterentwickelten Transistors im Vergleich zum Vorläufer
Weiterentwicklung eines AlGaN/GaN/GaN-Transistors hin zu einem AlN/GaN/AlN-Transistor
On-Wafer gemessene Schalttransiente eines AlN-basierten Transistors
On-Wafer gemessene 950 V/10 A-Schalttransiente eines AlN-basierten 120 mOhm/1200 V Transistors

In den neuen AlN-basierten Transistoren wird GaN nur noch für die etwa 100 nm dicke Transistorkanalschicht benötigt. Aufgrund seines sehr hohen Bandabstands ermöglicht AlN eine extrem spannungsfeste Pufferschicht. Auf eine Kompensationsdotierung des Puffers kann daher verzichtet werden. Die neuen AlN-basierten Transistoren zeigen eine höhere Spannungsfestigkeit als ihre GaN-basierten Vorläufer bei gleichzeitig niedrigerer Erhöhung des dynamischen Einschaltwiderstands auf.

Auf am FBH gewachsenen 4-Zoll AlN-auf-SiC-Wafern haben wir 120 mOhm 1200 V Schalttransistoren prozessiert, die für Schaltkonverter bis zur 10 kW Klasse einsetzbar sind, wie die 10 A/950 V Schalttransienten belegen.

Die sehr hohen Wärmeleitfähigkeiten sowohl der neuen AlN-Pufferschicht als auch des SiC Substrats führt zu einer optimalen Entwärmung des Leistungsbauelements. Das hohe elektrische Isolationsvermögen beider Materialien vereinfacht die monolithiosche Integration des Leistungskreises auch für hohe Schaltspannungen.

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