Design und Entwicklung einer High-Electron-Mobility Transistor Technologie für Leistungsbauelemente zur Charakterisierung von epitaktisch gewachsenem Galliumnitrid auf 150 mm Si-Wafern

Leistungselektronik auf Basis von Galliumnitrid hat das Potential, den Energiebedarf weltweit zu verringern. Die derzeit kostengünstigste GaN-Technologie basiert auf der GaN-auf-Silizium-Waferstruktur, also der GaN-Epitaxie auf Si-Wafern. Die Verbesserung und Weiterentwicklung dieser gesamten Technologie wird ein maßgeblicher Faktor für die Markteinführung und Verbreitung von Produkten GaN-basierter Leistungselektronik sein. Dies umfasst einerseits die Entwicklung von kostengünstigen und effizienten Produktionsprozessen der GaN-auf-Si Epi-Wafer und andererseits die Verwendung von Si-CMOS Fertigungslinien in Bezug auf einen kompatiblen und kontaminationsfreien Prozessfluss der HEMT-Bauelementetechnologie, sowie einer effizienten Prozessfluss- und Bauelementecharakterisierung.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Design und der Entwicklung einer geeigneten Bauelementetechnologie für den Einsatz einer elektrischen On-Wafer-Charakterisierung von epitaktisch gewachsenen 150 mm GaN-auf-Si-Wafern. Die GaN-auf-Si-Schichtsysteme dienen als Startmaterial für die Herstellung von lateralen Leistungs-HEMT-Bauelementen. Der Fokus liegt nicht auf einem ausentwickelten Bauelement mit komplexer Prozessabfolge, sondern auf einer möglichst einfachen und robusten Teststruktur, die gezielt die wichtigsten Eigenschaften der Epi-Wafer erfasst. Diese Informationen können anhand von Waferkarten dargestellt werden und liefern somit Informationen über die Wafer-Homogenität. Der Vorteil des Einsatzes von geeigneten Teststrukturen liegt somit in der zeitnahen Antwort auf ein Wachstumsexperiment, der elektrischen Charakterisierung über den gesamten Wafer und der Möglichkeit einer Kontrolle von Epi-Produkten, auch bezüglich der Wechselwirkung mit kritischen Prozessschritten der Bauelementfertigung.

Beginnend mit der Darstellung der gängigsten GaN-Transistortypen wird die Funktionsweise des lateralen GaN-HEMTs erklärt und die wichtigsten Kenngrößen erläutert. Anhand der Beschreibung der Probenstruktur und des Testchipdesigns wird die Basistechnologie sowie wichtige technologische Prozessschritte vorgestellt. Es folgt eine Zusammenstellung der wichtigsten elektrischen Charakterisierungsmethoden, welche im Zusammenhang mit dem entworfenen Testchip und der entwickelten Basis-Bauelementetechnologie durchgeführt werden können. In Abhängigkeit der verwendeten Technologie und anhand spezieller Teststrukturen werden beispielhafte Messergebnisse dargestellt.