Vertikale GaN-Transistoren
Hochleistungs-Halbleiterbauelemente werden in Konvertersystemen zur Leistungswandlung und als Treiber für optische Lasersysteme mit hoher Leistung eingesetzt. Eine vertikale Topologie der Bauelemente ist für derartige Anwendung vorteilhaft. Sie vereinen nämlich dicke Epitaxieschichten zum Sperren hoher Spannungen im Aus-Zustand und eine sehr hohe Stromdichte im eingeschalteten Zustand in einem Bauelement. Darüber hinaus ermöglicht die Topologie geringere Verlustleistungen und, bei Verwendung eines Bulk-Halbleiters, eine verbesserte Wärmeableitung. Bei derartigen vertikalen Transistoren auf Basis von Galliumnitrid (GaN) haben wir wesentliche Fortschritte erzielt und Transistorstrukturen mit extrem kompakten Abmessungen demonstriert, die die Grenzen des derzeit Machbaren verschieben.
Bis vor kurzem nutzten GaN-basierte leistungselektronische Bauelemente eine laterale Konfiguration. Der Grund dafür liegt in den hervorragenden Leitungseigenschaften des lateralen zweidimensionalen Elektronengases. Jedoch steigen die Marktaussichten für vertikale GaN-Bauelemente. Weil die Spannung im Aus-Zustand über das gesamte Substrat abfällt, bieten vertikale Bauelementkonzepte bei höheren Betriebsspannungen von 1200 V und darüber deutliche Vorteile. Sie vereinfachen das Design, und Hochspannungs-Leistungsschalter können implementiert werden. Unter anderem können sie in der zukünftigen Elektromobilität sowie in elektrischen Flugzeugantrieben und vielen weiteren Anwendungen eingesetzt werden. Weiterhin bieten vertikale Bauelemente die Möglichkeit einer einfachen Chip-auf-Chip-Integration. Sie sind daher attraktiv für die direkte Ansteuerung von Diodenlasern, um ultrakurze Lichtpulse (LIDAR) zu erzeugen. Entscheidend ist in jedem Fall die Zuverlässigkeit der Bauelemente. Daher konzentrieren wir unsere Entwicklungen auf extrem defektarme, freistehende und hochleitfähige GaN-Substrate.
Schnelle vertikale Lasertreiber für LiDAR-Anwendungen
LIDAR-Systeme mit sehr hoher Erfassungsrate und großer Reichweite, die unter anderem beim autonomen Fahren eingesetzt werden, benötigen schnelle Lasertreiber und eine leistungsstarke Versorgungselektronik. Durch Integration von GaN-basierter Leistungselektronik sind sehr schnelle Lasertreiber mit hohen Stromdichten möglich. Diese Anforderungen erfüllen jedoch Laserbaugruppen mit herkömmlichen Architekturen nicht, weshalb ein neuer Aufbau gefragt ist.
Wir haben ein Konzept für eine Chip-auf-Chip-Integration eines Diodenlasers mit einem vertikalen GaN-Transistor entwickelt, der als schneller Treiber dient.
Konzept der Chip-auf-Chip-Integration
Um die Basis dafür zu schaffen, hat das FBH zunächst den Einfluss von Substrattyp und Hersteller untersucht. Auch die Auswirkungen der Gate-Ansteuerungstechnologie auf die vertikalen Leistungsschalteigenschaften wurden eingehend geprüft. Die Transistoren wurden auf verschiedenen Substraten mit einer Gate-Kanal-Orientierung entlang der beiden unpolaren GaN-Kristallebenen, a- und m-Ebene, prozessiert. Diese Trägermaterialien unterscheiden sich hinsichtlich Technologie und Defektdichte: Ammonothermale Substrate mit geringer Defektdichte wurden mit Substraten mit mittlerer Defektdichte aus der Hydrid-Gasphasenepitaxie (HVPE) verglichen.
Die leistungsstärksten Bauelemente mit einem maximalen Ausgangsstrom von über 4 kA/cm2 und einem flächenspezifischen Einschaltwiderstand von 1,1 mOhm∙cm2 konnten auf ammonothermalem GaN-Substrat demonstriert werden. Der Gate-Kanal verlief dabei parallel zur a-Ebene des Kristalls. Großflächige Schalttransistoren mit 142 mm Gatebreite und 305 mOhm Einschaltwiderstand wurden mittels Chip-auf-Chip-Montage direkt mit einem Diodenlaserchip kombiniert. Die gesamte Anordnung wurde dann auf einer niederinduktiven, thermisch leitfähigen, aber isolierenden AlN-Keramikplatte angeordnet. Der Demonstrator lieferte bei 904 nm Emissionswellenlänge 3,6 ns kurze Laserpulse mit einer optischen Spitzenleistung von 4 W.
