VON ARDENNE: Jenseits von Siliziumkarbid und Galliumnitrid – über Galliumoxid und die Vorteile der PVD-Beschichtung

Aalyia Shaukat (AS): Hallo zusammen. Willkommen bei der heutigen Ausgabe von „Power Corner“. Ich bin Ihre Moderatorin, Aalyia Shaukat, Chefredakteurin von Power Electronics News. Heute haben wir das Vergnügen, mit Guido Überreiter, VP of Semiconductor Strategy bei Von Ardenne, zu sprechen. Guido, wie geht es Ihnen heute?

Guido Überreiter (GÜ): Sehr gut. Danke. Vielen Dank für die Gelegenheit, hier zu sprechen.

AS: Danke, dass Sie bei mir sind. Ich weiß das sehr zu schätzen. Ich möchte zunächst eine kurze Einführung geben. Ich habe mich ein wenig über Von Ardenne informiert. Soweit ich weiß, handelt es sich um ein deutsches Unternehmen für Vakuumbeschichtungsanlagen, das trotz mehr als 1.000 Systemen in über 50 Ländern immer noch ein Familienunternehmen ist, das von Pia Von Ardenne geführt wird. Und soweit ich weiß, konzentriert sich Von Ardenne im Halbleiterbereich speziell auf die physikalische Gasphasenabscheidung, also PVD.

Das Unternehmen stellt Beschichtungsanlagen her, die in MEMS, Piezo-MEMS und fortschrittliche Verpackungstechnologien zum Einsatz kommen, bei denen beispielsweise Leistungshalbleiter mit Logikchips integriert werden. Und ich habe erfahren, dass die Forscher bei Von Ardenne aktiv an Verfahren zur Abscheidung dünner Galliumoxidschichten (Ga₂O₃) arbeiten, die speziell auf die Gerätefertigung zugeschnitten sind.

Vielleicht können wir also zunächst mit Ga₂O₃ als Halbleiter beginnen. Was sind seine Vorteile, und was macht es zu einem überzeugenden Kandidaten für Hochspannungs-Leistungsbauelemente jenseits von 1 kV?

GÜ: Ja, ich denke, einer der interessanten Aspekte von Wide-Bandgap-Materialien ist, dass man tatsächlich nach immer größeren Bandlücken sucht, um immer höhere Spannungen schalten zu können. So haben wir heute Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN).

SiC funktioniert zwar in einem ähnlichen Spannungsbereich, aber Ga₂O₃ bietet mehrere Vorteile, über die wir später sprechen können. Die Branche sucht jedoch nach immer besseren Leistungshalbleitern, was meiner Meinung nach einfach durch die wachsende Bedeutung der Energieumwandlung und der effizienten Energieumwandlung getrieben wird. Anfangs haben wir im Zusammenhang mit der Elektrifizierung von Fahrzeugen viel über SiC und GaN gesprochen. Und in den letzten zwei, drei Jahren, mit dem Boom der KI, schauen plötzlich alle auch auf die Beiträge von Megawatt-Rechenzentren.

Und wenn man bedenkt, dass 20–25 % der Energie allein auf dem Weg von der Stromerzeugung über die gesamte Verteilung bis zur eigentlichen CPU verloren gehen, gibt es ein großes Energiesparpotenzial, wenn wir bessere und effizientere Leistungshalbleiter herstellen.

Und Ga₂O₃ ist ein Weg, dies zu erreichen. Wie jedes Material hat auch dieses viele Vorteile, aber auch einige Nachteile, über die wir sprechen können. Insgesamt halte ich es jedoch für ein sehr interessantes Material, das sich zwar noch in einem relativ frühen Stadium befindet, aber aus Effizienz- und Kostensicht vielversprechende Fortschritte verspricht.

AS: Ja. Wie Sie bereits sagten, wird Ga₂O₃ schon seit Jahrzehnten erforscht. Was hat sich in der Abscheidungstechnologie geändert, das es heute für die Herstellung von Leistungsbauelementen praktikabel macht?

GÜ: Ja, ich denke, es ist manchmal so ein Dilemma zwischen Angebot und Nachfrage, nicht wahr? Wenn man zu früh dran ist und es nicht genug Nachfrage gibt, und die Leute mit dem zufrieden sind, was sie haben, kommt es nicht in Gang.

Aber ich denke, es gibt mehrere Dinge, die sich geändert haben. Zum einen gibt es, wie gesagt, eine große Nachfrage. Zum anderen haben wir meiner Meinung nach inzwischen Methoden zur Herstellung von Ga₂O₃ entwickelt, die viel zuverlässiger und effizienter sind, sodass das Material tatsächlich für die Herstellung von Leistungshalbleitern geeignet ist.

Darüber hinaus sind die Dünnschichttechnologien meiner Meinung nach mittlerweile so weit fortgeschritten, dass man auch sehr detaillierte und sehr feine Schichten auf dem eigentlichen Substrat herstellen kann – denn es geht nicht nur um das Material selbst, sondern darum, wie man es tatsächlich einsetzt. Und genau hier liegt meiner Meinung nach die Stärke von Von Ardenne: eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien und eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren zu deren Abscheidung.

Hier sehen wir: Die Zeit ist reif, PVD auch für diese Art von Anwendungen stärker zu nutzen. Und ich denke, wie ich bereits sagte, gibt es eine große Nachfrage – Elektrofahrzeuge, Netzumwandlung – all diese Dinge kommen zusammen. Und ich glaube, es ist auch der Punkt, an dem es eine weitere kleine Revolution bei den Leistungshalbleitern geben könnte.

AS: Vielleicht könnten wir ein wenig über diese Substratzüchtungstechnologie sprechen, an der Von Ardenne arbeitet, und die Vorteile von Ga₂O₃ gegenüber SiC oder GaN in Bezug auf die Skalierbarkeit der Substratzüchtung beschreiben.

GÜ: Es ist tatsächlich so – als ich vor ein paar Jahren zu Von Ardenne kam, war ich immer wieder erstaunt, wie sie die Materialien einsetzen. Sie verwenden bestimmte Materialien bereits seit Jahren, die erst jetzt ihren Weg in die Halbleiterindustrie finden – PVD ist im Allgemeinen eine sehr kosteneffiziente Methode zur Abscheidung von Materialien.

Und das ist tatsächlich einer der Nachteile von SiC und GaN: Die Herstellung dieser Wafer ist immer noch sehr, sehr teuer. Es ist relativ schwierig, sie auf großen Substraten herzustellen. Was also den Übergang zu 300 mm angeht – die Branche hat sehr, sehr hart dafür gekämpft, SiC auf 300 mm zu bringen, und wir kommen weltweit langsam ans Ziel. Dennoch ist es ein sehr, sehr teurer Ansatz, sehr zeitaufwendig und auch sehr energieintensiv.

Und genau hier können meiner Meinung nach PVD-Technologien den Unterschied machen – nicht nur beim Aufbringen von Schichten auf ein Substrat, sondern eine der Technologien, die wir derzeit entwickeln, besteht darin, das Material mit PVD-Technologien tatsächlich in der spezifischen kristallographischen Struktur wachsen zu lassen. Es geht also nicht nur darum, Schichten aufzubringen; es geht tatsächlich auch darum, das Substrat selbst in einem PVD-Prozess aufzubauen, was ziemlich neuartig ist, und es ist sogar noch kostengünstiger, da man tatsächlich mit demselben Werkzeugsatz arbeiten kann.

AS: Also, nur als Beispiel – sagen Sie mir, wenn ich etwas übersehe – ich weiß, dass GaN auf spezifischen Si[111]-Wafern gezüchtet werden muss. Ist es so ähnlich, oder ist das, wie Sie sagten, nicht notwendig? Können Sie die Struktur beim Aufwachsen von Ga₂O₃ anpassen?

GÜ: Unsere Technologie ist im Grunde in der Lage, bestimmte kristallographische Strukturen Atomschicht für Atomschicht zu erzeugen. Wir verfügen also über ein Werkzeug, das tatsächlich zum Aufwachsen fähig ist, und man kann die Prozesskonfiguration so einstellen, dass man die gewünschten physikalischen Parameter – und damit auch die elektrischen Parameter – erhält.

Wenn man sich GaN-Strukturen ansieht, handelt es sich in vielen Fällen nicht nur um GaN. Es ist GaN, dann kommt hier ein bisschen Dotierung hinzu, dann folgt eine weitere GaN-Schicht und schließlich mit Aluminium dotiertes Gallium.

Es gibt also viele gemischte Schichtstapel. Die grundlegende Frage lautet immer: Wie baut man die Basisschicht auf? Und wir glauben, dass wir beides können.

Während man bei GaN im Grunde MOCVD-ähnliche Prozesse benötigt, um die eigentlichen Substrate herzustellen, glauben wir, dass wir hier tatsächlich einen Vorteil haben – indem wir ein Element nutzen, mit dem wir bereits seit langem arbeiten, und ein paar Tricks auf der PVD-Seite anwenden, um im Grunde die Basisschicht zu erzeugen, aber auch die darüber liegenden Schichtstapel, die aufgrund einiger Mängel erforderlich sind, die Ga₂O₃ als Material aufweist.

AS: Okay. Und vielleicht könnten wir noch ein wenig mehr über die Attraktivität von Ga₂O₃ für die kommerzielle Nutzung sprechen. Nach meinen Recherchen ist die p-Typ-Dotierung bei Ga₂O₃ seit langem eine Herausforderung für die vollständige Bauelementintegration – also die Erzeugung der für Dioden und Transistoren benötigten p-n-Strukturen. Spielt der Abscheidungsansatz von Von Ardenne eine Rolle bei der Lösung der p-Typ-Herausforderung? Oder ist das ein separates Problem, das bereits im Vorfeld gelöst werden muss?

GÜ: Nun, ich denke, das liegt eigentlich am Material selbst und nicht an der Art und Weise, wie man das Material herstellt. Die Tatsache, dass man keine p-Typ-Dotierung herstellen kann – oder dass es sehr schwierig und tatsächlich sehr ineffizient und daher nicht wünschenswert ist –, ist etwas, das wir nicht ändern werden, egal welche Methode wir bei der Herstellung des Materials anwenden.

Was dies jedoch antreibt, ist eine Menge Innovation hinsichtlich der Frage, wie man tatsächlich Bauelemente auf dieser Schicht aufbaut – entweder mit Bauelementen vom Schottky-Typ oder mit MOSFETs. Die Industrie geht dann typischerweise in die dritte Dimension über, baut Schichten darauf auf und konstruiert Bauelemente auf eine andere Weise, als sie einfach nur in das eigentliche Ga₂O₃ einzubetten.

Das haben wir auch bei anderen Ansätzen beobachtet – GaN ist, nicht aus Sicht der p-Typ-Dotierung, sondern aus Sicht der Bauelementarchitektur, sehr ähnlich. Es gibt viele vertikale Bauelemente auf GaN-Schichten, und genau das sehen wir auch bei Ga₂O₃: die Überwindung dieser materialtechnischen Herausforderung durch andere Bauelementarchitekturen.

AS: Interessant. Könnten Sie etwas mehr über diese alternativen Bauelementarchitekturen mit Ga₂O₃ erzählen?

GÜ: Nun, wenn man andere Arten von Bauelementen bauen will, fängt man im Grunde wieder von vorne an, indem man Schichten aus anderen Materialien oder anders dotierten Materialien darauf aufbringt. Und was dann extrem wichtig ist, sind die Grenzflächen dieser Schichten.

Im Fall von GaN zum Beispiel: Wie genau interagieren GaN und AlGaN an der Grenzfläche und schaffen eine sehr saubere Oberfläche, mit der man die Bauelementparameter sehr gut abstimmen kann?

Und genau das werden wir auch bei Ga₂O₃ sehen: Bauelemente, die im Grunde vertikal aufgebaut sind, bei denen diese Übergänge übereinander liegen statt nebeneinander. Und ich denke, das ist es, was die Industrie zunehmend einsetzt, auch zur Optimierung von SiC und GaN. Die gleiche Methodik lässt sich also auch auf Ga₂O₃ anwenden.

Wichtig wird es sein, die Oberfläche sehr präzise zu gestalten, die nächsten Schichten – die wiederum sehr dünn sein werden – sehr präzise abzuscheiden und eine saubere Oberfläche sowie eine saubere Grenzfläche zu erhalten. Und mit diesen abwechselnden Schichtstapeln kann man Bauelemente herstellen, die die große Bandlücke und die hohen elektrischen Feldfestigkeiten von Ga₂O₃ nutzen.

AS: Vielen Dank. Lassen Sie uns noch ein wenig über die PVD-Techniken und deren Vorteile sprechen. Sie haben Magnetron-Sputtern oder gepulste Laserdeposition erwähnt. Wie schneiden diese Verfahren im Vergleich zu beispielsweise der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) oder der Hydrid-Gasphasenepitaxie (HVPE) in Bezug auf Schichtqualität, Skalierbarkeit und Kosten ab?

GÜ: Nun, ich denke, im Allgemeinen ist PVD sehr kosteneffizient. Es ist viel billiger und viel schneller. Und wenn man an einige unserer Anlagen denkt, die im Grunde Dutzende von Wafern parallel bearbeiten, während diese sich in der Anlage drehen und wir Atomschicht für Atomschicht mit hoher Geschwindigkeit abscheiden, sieht man, wie das insgesamt einen Kostenvorteil bei der Herstellung dieser Wafer schafft.

Und da wir nicht durch den Waferdurchmesser begrenzt sind, können wir im Grunde so groß werden wie die Substrate, auf denen wir Dinge züchten können. Das ist tatsächlich ein weiterer Vorteil, der sich ebenfalls auf die Kosten auswirkt. Die von mir erwähnten Grenzflächen – die Herstellung sauberer Oberflächen, die sehr glatt und sehr homogen sind – sind etwas, das PVD eindeutig besser beherrscht als CVD-Technologien oder Ähnliches.

Was wir tun müssen – und das ist die ingenieurtechnische Herausforderung auf unserer Seite – ist sicherzustellen, dass die Kristallstruktur genau so ist, wie wir sie haben wollen. Ich denke, genau hier kommen die technische Exzellenz und die Materialwissenschaft bei PVD ins Spiel, denn genau das hat lange Zeit dazu geführt, dass Anwendungen eher auf diese teureren Abscheidungstechnologien ausgerichtet waren.

Aber wir glauben, dass wir einige sehr gute Ingenieure haben, die sozusagen wissen, wie man den Beton mischt. Und genau hier wird PVD meiner Meinung nach eine viel, viel größere Rolle bei Leistungshalbleitern spielen, aufgrund der Fortschritte, die Ingenieure bei der Herstellung von Materialien und Oberflächen erzielt haben.

AS: Das ist sehr interessant. Das ist eine persönliche Frage – haben Sie bisher Leistungsbauelemente mit der Ga₂O₃-Technologie hergestellt, an der Sie arbeiten?

GÜ: Nein, wir befinden uns noch in der Phase, in der wir Schichten aufbringen. Wir haben tatsächlich sehr erfolgreich das hergestellt, was ich als abwechselnd gestapelte Schichten bezeichnen würde – und zwar nicht so, dass wir einen Wafer in die nächste Kammer und wieder zurück bewegen. Wir haben im Grunde ein Werkzeug, das sich einfach dreht, und bei jeder Umdrehung erhält es eine bestimmte Materialbeschichtung. Und während es sich dreht, kann man die Zusammensetzung dieser Materialien ändern.

Man lässt also das Schwungrad laufen, und während es im Laufe der Zeit läuft, baut man zuerst Schicht A auf, dann Schicht B, dann wieder Schicht A, dann Schicht B, und man kann sie sehr gut und sehr schnell mischen. Und genau hier sehen wir derzeit großes Interesse – wo die Leute sagen: „Oh, so kann ich meine Bauelemente tatsächlich viel schneller mit ganz unterschiedlichen Materialien herstellen.“

AS: Das ist sehr interessant. Welche Anwendungsbereiche – was Sie nicht verraten können, können Sie nicht verraten – zeigen das größte Interesse daran?

GÜ: Nun, wie ich schon sagte, Ga₂O₃ ist das Material, auf das wir setzen, aber dieselben Werkzeuge sind im Grunde auch in der Lage, GaN und, wie Sie wissen, Mischungen von Schichtstapeln herzustellen, und das ist nur der Bereich der Leistungselektronik.

Man kann sie auch für MEMS-Anwendungen nutzen – um bestimmte Schichtstapel oder Materialien in sehr kurzer Zeit zu einem sehr dicken Stapel zu züchten. Es sind im Grunde die gleichen Werkzeuge, und auf der MEMS-Seite sind wir tatsächlich schon weiter fortgeschritten.

Aber im Grunde gelten dieselben physikalischen und chemischen Prinzipien, wenn man sich mit Ga₂O₃, GaN oder einem dieser Materialien befasst. Und wie Sie bereits erwähnt haben, steigt die Bandlücke immer weiter an – da gibt es Bornitrid (BN) und am Ende Diamantmaterialien. Aber es ist im Grunde eine ähnliche Art von Problem, das man lösen muss: die richtige Kristallstruktur zu erhalten und sie sehr homogen und sehr schnell wachsen zu lassen.

Und wir glauben, dass wir mit den uns zur Verfügung stehenden Werkzeugen tatsächlich die Materialien wechseln und damit auch die elektrischen und physikalischen Parameter dieser Materialien verändern können.

AS: Faszinierend. Möchten Sie noch etwas hinzufügen, oder gibt es Fragen, die ich vielleicht übersehen habe? Sie haben bereits ziemlich viele meiner Fragen beantwortet.

GÜ: Nun, ich denke, da ist noch der Vorbehalt, oder? Wo steht Ga₂O₃ aus Sicht der Markteinführung? Denn derzeit handelt es sich noch nicht um eine Massenproduktion.

Ich glaube, wir befinden uns noch in einer Phase, in der viele Akteure im Bereich der Leistungshalbleiter ihre SiC-Fabriken der nächsten Generation für die Massenproduktion in Betrieb nehmen. Wir sehen große Fortschritte bei GaN und verschiedenen Varianten von GaN-basierten Halbleitern.

Ich denke, Ga₂O₃ braucht noch ein paar Jahre, um aus dieser experimentellen Phase herauszukommen – und aus dieser Phase, in der die Anwendungsingenieure aus den Materialien tatsächlich echte Bauelemente herstellen können – hin zu etwas, das man als Prototypenentwicklung oder erstes Produkt bezeichnen würde.

Meine persönliche Einschätzung ist, dass es noch weitere fünf Jahre dauern wird, bis wir die ersten Produkte sehen, und dann wahrscheinlich noch weitere 2–3 Jahre, bevor es in die echte Massenproduktion geht.

Aber ehrlich gesagt glaube ich, dass wir alle davon ausgehen, dass wir bis 2030 brauchen, um eine 1-Billionen-Dollar-Branche zu erreichen. Und jetzt sagt die Branche, dass wir 2027 bei 1,3 Billionen Dollar liegen werden. Es scheint also, als würden sich viele Dinge beschleunigen, und ich denke, das ist in gewisser Weise auch ein Weckruf für die traditionellen Halbleiterhersteller – denn ich glaube, dass die SiC-Ära viel früher vorbei sein wird, als viele Leute denken.

AS: Nun, vielen Dank. Ich weiß Ihre Zeit wirklich zu schätzen, Guido. Das war ein faszinierendes Gespräch. Ich bin gespannt, wohin sich Ga₂O₃ entwickelt, welche Rolle PVD dabei spielt und wie Von Ardenne diese Technologie vorantreiben wird.

GÜ: Perfekt. Mich fasziniert das auch. Danke.

AS: Danke.

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