Bislang gibt es am Markt nur GaN-Transistoren in der lateralen HEMT-Struktur, weil diese auf sehr kostengünstigem Siliziumwafern gefertigt werden können. Odyssey Semiconductor hat nun zwei Meilensteine bei der Entwicklung vertikal leitender GaN-Transistoren erreicht.

Horizontal leitende GaN-HEMTs (High Electron-Mobility Transistor), wie sie heute üblich sind, werden auf Silizium-Wafern gefertigt. Da der Strom durch Kontakte auf der Oberfläche fließt, ist die Wahl des Substrats nicht ausschlaggebend, da dieses nicht im Strompfad liegt. Dies ist insofern ein Vorteil, da Silizium ziemlich preiswert ist und Wafer mit großen Durchmessern verfügbar sind, um Skaleneffekte nutzen zu können.

Der Nachteil bei der HEMT-Struktur ist, dass bei der Epitaxie auf einem anderen Substrat (Hetero-Epitaxie) sehr viele Gitterdefekte in der gezüchteten Kristallschicht entstehen. Bei Galliumnitrid, das auf Silizium gezüchtet wird, beträgt die Defektdichte etwa 108 bis 1010 cm‒2 (Bild 1). Diese Defekte beeinträchtigen die Zuverlässigkeit der Bauelemente bei hohen Spannungen. Infolgedessen gibt es laut Odyssey Semiconductor derzeit keine GaN-HEMTs mit einer Nennspannung von über 900 V auf dem Markt, die meisten enden bei 650 V.

Bei Bauelementen, die vertikal leiten, muss das Substrat aus demselben Material bestehen wie der Driftbereich. Für Galliumnitrid (GaN) erfordert dies daher ein GaN-Substrat. Diese sind zwar extrem teuer und nicht in Größen über 100 mm erhältlich, aber dadurch lassen sich vertikal leitende GaN-Transistoren mit einer Defektdichte von etwa 103 bis 105 cm‒2 realisieren (Bild 1). Dank dieser deutlich geringen Defektdichte dürften GaN-Transistoren bei Spannungen von weit über 1000 V sehr zuverlässig arbeiten.

In einer Investorenpräsentation rechnet Odyssey Semiconductor vor, dass ein GaN-Substrat etwa 2,5-mal teurer ist als ein entsprechendes SiC-Substrat. Wegen des geringeren flächenspezifischen Widerstands kann ein vertikaler GaN-Transistor allerdings etwa zehnmal kleiner sein als ein äquivalenter SiC-Transistor. Damit sollte ein vertikaler GaN-Transistor viermal kostengünstiger sein als sein Pendant aus Siliziumkarbid (Bild 2).

Seinen Bauteiltechnologie hat Odyssey nun für eine Nennspannung von 700 V validiert, der flächenspezifische Einschaltwiderstand soll bei annähernd 1 mΩ·cm² liegen. Diese selbstsperrenden Bauelemente weisen laut Hersteller auch einen sehr geringen Gate-Leckstrom auf. Die Technologievalidierung kann mit diesen 700-V-Bauelementen beginnen, während die Erweiterung derselben Architektur auf den nächsten Meilenstein, d. h. eine Nennspannung von 1200 V oder mehr, noch abgeschlossen wird.

Außerdem hat das US-amerikanische Patent- und Markenamt dem Unternehmen das US-Patent 11.251.295 erteilt hat, das sich auf Schlüsselaspekte von Odysseys vertikaler GaN-Technologie bezieht. Es trägt den Titel »Vertical field effect transistor device and method of fabrication« und bezieht sich auf ein Verfahren, mit dem sich unter Verwendung von GaN-Schichten und -Materialien ein Hochspannungsschalter fertigen lässt. Odyssey Semiconductor verfügt nach eigener Aussage nun über zwei erteilte US-Patente und hat viele weitere damit verbundene Ansprüche für das vertikale GaN-Bauelement und die damit verbundene Technologie angemeldet.

»Odyssey ist auf dem besten Weg, vertikale GaN-FETs mit 1200 V Sperrspannung noch im Jahr 2022 für eine Handvoll Kunden zu liefern, die bereits technische Muster angefordert haben«, freut sich Rick Brown, Gründungsmitglied, Interim-CEO und CTO von Odyssey Semiconductor.

Wie aus der Investorenpräsentation hervorgeht, sollen noch in diesem Jahr das erste Produkt an Kunden zur Qualifizierung und Entwicklungsmuster einer zweiten Bauteilgeneration versandt werden. Für 2023 soll die Fertigung des ersten Produktes ausgeweitet werden und ein zweites Produkt qualifiziert und versandt werden.

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