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Bauelemente mit hoher Bandlücke

Der Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente forscht an Bauelementen und elektronischen Systemen basierend auf Substraten mit hohem Bandabstand (wide-band-gap materials). Zu diesen Materialien zählt neben Siliciumcarbid (SiC) auch Galliumnitrid (GaN).

Insbesondere die Herstellung und Charakterisierung von Leistungsbauelementen für Spannungsklassen über 1000 V auf Siliciumcarbid-Substraten ist ein Schwerpunkt des Lehrstuhls. Aufgrund seines im Vergleich zu Silicium deutlich höheren Bandabstandes von über 3 eV bietet SiC die Möglichkeit, Bauelemente für Hochtemperatur- und Hochspannungsanwendungen zu verwirklichen. Neben den Prozessgeräten der Silicium-Technologie stehen dem LEB Anlagen zur Verfügung, die speziell auf die Anforderungen bei der Herstellung von SiC-Bauelementen abgestimmt sind (z.B. Hochtemperaturofen zur Aktivierung von Dopanden bis  1900 °C). Neben Untersuchungen zu ausgewählten Prozesssequenzen (z.B. dem Ausheilverhalten von implantierten Schichten in 4H-SiC oder dem Oxidationsverhalten von SiC) wurden in den vergangenen Jahren vor allem Forschungsarbeiten im Bereich neuartiger SiC-Leistungsschalter sowie der SiC-Prozessintegration durchgeführt. Für die Realisierung verlustarmer unipolarer Leistungshalbleiterbauelemente werden laterale Ladungskompensationsstrukturen auf SiC untersucht. Darüber hinaus werden am Lehrstuhl neuartige  UV-Photodioden auf SiC erforscht und entwickelt. Die halbleitertechnologischen Experimente werden durch entsprechende Prozess- und Bauelementesimulationen unterstützt. Aus den hergestellten SiC-Bauelementen werden Modellparameter für die Schaltungssimulation eruiert. 

In weiteren Forschungsarbeiten wurden am Lehrstuhl GaN-Leistungsbauelemente statisch und dynamisch charakterisiert. Auf der Basis der dynamischen Kenndaten erfolgt eine simulative Abschätzung der unter gegebenen Wirkungsgradanforderungen möglichen Schaltfrequenzen in einem isolierenden DC/DC-Wandler. Zudem wird eine angepasste Aufbau- und Verbindungstechnik für GaN-Leistungsbauelemente entwickelt. Darüber hinaus beteiligt sich der LEB im Rahmen der Forschergruppe 1600/1 an Forschungsarbeiten zur Herstellung von GaN-Kristallen mittels Ammonothermalsynthese.

Projekte:

Aufgrund der starken chemischen Bindungen weist Siliciumkarbid einige Halbleitereigenschaften auf, die denen von Silicium überlegen sind. Im Bereich der Leistungselektronik sind dies besonders die höhere kritische Feldstärke und die niedrigere intrinische Ladungsträgerkonzentration. Diese Eigenschaften können zuammen mit der hohen thermischen Leitfähigkeit und der großen Bandlücke gezielt für Sensor-Bauelemente genutzt werden.

 

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Die heutigen Silizium-basierten Lösungen in der Leistungselektronik sollen in Bezug auf Effizienz, Taktfrequenz, Zuverlässigkeit und Temperaturbereich signifikant übertroffen werden. Die Leistungsfähigkeit der Galliumnitrid-Technologie soll gemeinsam mit Industriepartnern für Anwendungen in der Haushaltstechnik, Heiztechnik, Elektromobilität, der Fertigungstechnik sowie für regenerative Energien nachgewiesen werden.

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Individuelle Mobilität und moderne Energieversorgungsnetze erfordern eine deutliche Steigerung der Effizienz von leistungselektronischen Wandlern zur Schonung der natürlichen Ressourcen. Effiziente Energiewandlung auf der Basis von Galliumnitrid-Bauelementen für Automobilanwendungen und fr Hochfrequenz-Generatortechnologien in Produktionsanlagen sind die zentralen Ziele des Projektes PowerGaNPlus.

Der Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (LEB) der Uni-Erlangen erforscht im Rahmen von PowerGaNplus die neuartigen Möglichkeiten zum Einsatz von GaN Leistungsbauelementen in DC/DC-Wandlern. Hierzu charakterisiert der LEB die vom Konsortium zur Verfügung gestellten Bauelemente bzw. Leistungsmodule. Auf der Basis dieser Messergebnisse erfolgt eine speziell auf GaN Bauelemente angepasste Optimierung eines Demonstrators mit dem Ziel, die, bei Verwendung von GaN Bauelementen sich ergebenden Vorteile im Gesamtsystem, zu verdeutlichen. Insbesondere ist es das Ziel zu zeigen, dass sich der Wirkungsgrad eines zukünftigen leistungselektronischen Massenprodukts durch den Einsatz von GaN Leistungsbauelementen deutlich erhöhen lässt.

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Ein weiterer Ausbau erneuerbarer Energiequellen bedarf einer substantiellen Weiterentwicklung des Mittelspannungsnetzes. Hierzu ist unter anderem ein neuer technologischer Lösungsansatz zur Realisierung eines halbleiterbasierten Leistungsschalters erforderlich, der eine effiziente Steuerung des Energieflusses zwischen den Energiequellen und der Verteilerebene ermöglicht. Ein solcher Leistungsschalter sollte dabei vor allem über möglichst geringe Durchlassverluste sowie über…

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Eine Möglichkeit verlustarme unipolare SiC-basierte Leistungshalbleiterbauelemente für hohe Betriebsspannungen zu realisieren, ist der Einsatz von Ladungskompensationsstrukturen. Dieses Prinzip wird bereits in Siliciumbauelementen der Leistungselektronik eingesetzt. Neben dem Randabschluss von Leistungshalbleiterbauelementen durch eine „Junction Termination Extension“ (JTE) wird auch für laterale Leistungs-MOSFETs mit RESURF-Prinzip eine Ladungskompensationsstruktur eingesetzt. Die dem RESURF zugrunde liegenden Bauelementstrukturen wurden 1979 von Appels und Vaes erstmals beschrieben. Seitdem wurde dieses Konzept für die Herstellung lateraler Leistungs-MOSFETs in integrierte Schaltungen mit reduzierter Verlustleistung umfassend weiterentwickelt. Weitergehende Arbeiten beschäftigten sich seitdem auch mit der Integration von Kompensationsstrukturen in laterale Leistungs-MOSFETs. Bei den vertikalen Siliciumleistungshalbleiterbauelementen mit Kompensationsstruktur hat sich der sogenannte Superjunction-MOSFET in der Leistungselektronik bei Spannungen bis 900V etabliert.

In diesem Forschungsvorhaben wird untersucht, inwiefern sich derartige Bauelementstrukturen in Siliciumkarbidtechnologie realisieren lassen und wie stark die Ladungskompensation durch physikalische Effekte wie Aktivierung, unvollständige Ionisation und die Kompensation von Ladungsträgern beeinflusst wird.

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Die Ammonothermal-Synthese stellt ein vielversprechendes Verfahren für die Herstellung von Nitrid-Materialien dar, zu dem auch das Halbleitermaterial Galliumnitrid gehört.

Die 2011 gegründete DFG-Forschergruppe „Chemie und Technologie der Ammonothermal-Synthese von Nitriden“ hat sich zur Aufgabe gemacht ein elementares Verständnis für die Ammonothermal-Synthese zu entwickeln, um die Grundlagen für eine gezielte Kristallzucht von Nitriden mit hoher Qualität zu legen.

Der Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (LEB) in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) übernehmen innerhalb der Forschergruppe die Entwicklung eines geeigneten Kristall-Züchtungsprozesses für die saure und basische Ammonothermal-Synthese. Neben dem Aufbau einer Autoklavenstation mit Halbleiterreinheit, hat die thermische Simulation und die Entwicklung entsprechender Modelle für den Wärme– und Stofftransport einen hohen Stellenwert. Die Modelle werden während der gesamten Projektlaufzeit ständig verfeinert und mit Hilfe von in-situ Messungen validiert. Dieses Teilprojekt (TP6) besitzt damit auch eine starke Querschnittsaufgabe, indem die Erkenntnisse der anderen Arbeitsgruppen zusammengeführt werden, um ein ganzheitliches Bild der Vorgänge im Reaktor zu erhalten.

Bei der Ammonothermalsynthese von Kristallen handelt es sich um ein Hochdruck-Lösungszüchtungsverfahren in überkritischem Ammoniak basierend auf dem Prinzip der Hydrothermal-Synthese, welche bereits Großindustriell für die Züchtung von Quarzkristallen eingesetzt wird. Über die Zugabe von sog. Mineralisatoren wird die Löslichkeit des herzustellenden Materials in überkritischem Ammoniak durch die Bildung von löslichen Verbindungen gesteuert. Die Wahl des Mineralisators entscheidet dabei über Lösungsverhalten, Verunreinigung, Wachstumskinetik usw. Die Vorgänge während der Züchtung wurden dabei erst teilweise verstanden, da ein hoher Betriebsdruck (100-300 MPa) bei Temperaturen zwischen 400-550°C den Einsatz herkömmlicher in-situ Messtechnik verhindert. Die Ammonothermal Forschergruppe soll hier einen entscheidenden Beitrag zum tieferen Verständnis der Ammonothermal-Synthese von Nitriden liefern.

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Beteiligte Wissenschaftler: