Verbesserung der Robustheit von GaN-Leistungstransistoren durch neuartige GaN-Epi-Wafer mit verbesserter Wärmeabfuhr

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Sibylle Dieckerhoff; Dr. Oliver Hilt, seit 9/2024
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 500397305

Bereits jetzt liegt der Anteil elektrischer Energie am Gesamtenergieumsatz weltweit bei 25% (2019) und wird in den nächsten Jahren zum Erreichen der CO2 - Einsparziele weiter deutlich steigen, nach verschiedenen Szenarien bis 60% und mehr in 2050. Für die ressourcenschonende Nutzung dieser Energie werden hocheffiziente leistungselektronische Lösungen beispielsweise in der industriellen Antriebstechnik, für die Elektromobilität, für Stromversorgungen z.B. von Datenzentren oder für die Integration erneuerbarer Energien benötigt. Leistungstransistoren auf Basis des Wide-Bandgap Halbleitermaterials Galliumnitrid (GaN) stoßen verstärkt in diese Märkte für leistungselektronische Konverter vor. Die besonderen Materialeigenschaften von GaN und die eingesetzten Heterostrukturen führen zu inhärent hochkompakten Leistungs-halbleitern. Diese zeichnen sich durch sehr hohe erreichbare Schaltgeschwindigkeiten bei drastisch reduzierten Verlusten aus und ermöglichen damit hocheffiziente und kompakte Konverter. Konsequenzen der hohen Leistungsdichte der GaN-Halbleiter sind aber auch hohe elektrische Felder, hohe Stromdichten und entsprechend große thermische Gradienten im Bauteil. Eine optimale Wärmeabfuhr über die Epi-Wafer ist essentiell für die Realisierung robuster Leistungstransistoren und kann über die Optimierung der GaN-Epitaxieschichten (GaN-Epi) erreicht werden. Für die Bewertung der Robustheit der GaN-Leistungstransistor¬bauteile sind kritische Anwendungsszenarien wie Überlast oder Kurzschluss durch entsprechende elektrische Testverfahren zu gewährleisten und die auftretenden thermisch bedingten mikrostrukturellen Defektbildungen zu bewerten. Es existieren offene Fragestellungen insbesondere zur Lokalisierung der Wärmequellen im Bauteil und dem Einfluss von Trapping-Effekten bei dynamischen Vorgängen, die eng mit der Epitaxie und der technologischen Implementierung der Schalter verknüpft sind. Hier setzt das vorgeschlagene Forschungsvorhaben aufbauend auf den Vorarbeiten im DFG Projekt „Adaptierte Schaltungstechnik für GaN Leistungselektronik“ an. Zentrales Forschungsziel von RuggedGaN ist es, die Robustheit von GaN-basierten Leistungsbauelementen durch die Entwicklung entsprechend optimierter GaN-Epi Halbleitersubstrate mit verbesserter Wärmeabfuhr zu erhöhen und dafür die zur Prozess- und Bauteilqualifizierung benötigten elektrischen, thermischen und mikrostrukturbasierten Charakterisierungsverfahren bereitzustellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: Nexperia Germany GmbH
• Kooperationspartner: Dr. Andreas Graff
• Ehemalige Antragstellerin: Dr.-Ing. Mihaela Wolf, bis 8/2024