SiC- und GaN-Technologie und -Bausteine

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Die Halbleiterindustrie hat in den letzten Jahrzehnten bedeutende Fortschritte hin zu immer kleineren Größen und höheren Wirkungsgraden gemacht. Von besonderem Interesse sind Materialien für Wide-Bandgap-Halbleiter (WBG) wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), die gegenüber dem aktuellen Standard, Silizium, wesentliche Leistungsverbesserungen bieten.

Während Silizium ein ausgezeichneter universell einsetzbarer Halbleiter ist, sind seine Grenzen im Umgang mit hohen Spannungen, Temperaturen und Schaltfrequenzen gut dokumentiert. Da der Markt seinen Wettlauf um mehr Leistung fortsetzt, geht die Industrie immer schneller weg von Silizium und in Richtung WBG-Halbleitermaterialien, die für Leistungsanwendungen geeignet sind.

Dieser Artikel geht auf die Vorteile der Verwendung von SiC- und GaN-WBG-Halbleitern ein, überprüft den aktuellen Stand der Technik und zeigt, wie SiC und GaN eine starke und praktikable Alternative für zukünftige Leistungselektronik- und Systemanwendungen sein können.

Einleitung

Die Eigenschaften von Wide-Bandgap-Materialien ermöglichen den Betrieb von Geräten bei extremen Temperaturen, übermäßigen Leistungsdichten, erhöhten Spannungen und höheren Frequenzen, wodurch sie perfekt für den Einsatz in zukünftigen elektronischen Systemen geeignet sind. SiC und GaN werden als WBG-Halbleitermaterialien bezeichnet, basierend auf der großen Energie, die erforderlich ist, um Elektronen in diesen Materialien aus dem Valenzband in das Leitungsband zu verschieben. Für SiC liegt die Zahl bei etwa 3,2 eV, für GaN bei 3,4 eV gegenüber 1,1 eV für Si. Der dreimal breitere physische Bandabstand führt zu einer höheren anwendbaren Durchbruchspannung, die in einigen Anwendungen bis zu 1.700 Volt erreicht.

Zwischen dem Bandabstand und dem kritischen (elektrischen) Durchbruchsfeld eines Halbleiters besteht ein direkter Zusammenhang. GaN- und SiC-Durchbruchsfelder sind relativ ähnlich, wobei GaN ein Durchbruchfeld von 3,3 MV/cm aufweist, während das Durchbruchfeld von SiC 3,5 MV/cm beträgt. Silizium hat ein Durchbruchfeld von 0,3 MV/cm, was darauf hinweist, dass GaN und SiC fast zehnmal besser in der Lage sind, höhere Spannungen aufrechtzuerhalten. Durch diese Durchbruchfelder sind die Verbindungen wesentlich besser gerüstet, um höhere Spannungen zu bewältigen und geringere Leckströme zu erzeugen.

Die höhere Elektronenbeweglichkeit und die Geschwindigkeit der Elektronensättigung des WBG-Halbleiters ermöglichen eine höhere Betriebsfrequenz. GaN weist eine Elektronenbeweglichkeit von 1.500 cm^2/Vs im Vergleich zu 1.450 cm ^2/Vs von Silizium auf. SiC hat hingegen eine verhaltene Elektronenbeweglichkeit von annähernd 900 cm^2/Vs, was es für Hochgeschwindigkeitsschaltanwendungen weniger geeignet macht. GaN eignet sich mit seiner dreimal schnelleren Elektronenbeweglichkeit als SiC für Operationen mit höherer Schaltfrequenz.

Die höhere Wärmeleitfähigkeit von SiC (5 W/cmK) als GaN (1,3 W/cmK) oder Si (1,5 W/cmK) impliziert, dass SiC-Geräte in der Wärmeleitfähigkeit überlegen sind und theoretisch mit höheren Leistungsdichten als GaN oder Si arbeiten können. Eine höhere Wärmeleitfähigkeit kombiniert mit einem größeren Bandabstand und einem hohen kritischen Durchbruchsfeld gibt SiC-Halbleitern einen Vorteil, wenn hohe Leistung ein wichtiges wünschenswertes Merkmal des Geräts ist. Abbildung 1 fasst die physischen und elektrischen Eigenschaften von SiC- und GaN-Halbleitermaterialien zusammen.

SiC und GaN eignen sich für unterschiedliche Leistungsanwendungen. Ihre unterschiedlichen Eigenschaften bestimmen ihre maßgeschneiderten Anwendungen. GaN ist für Anwendungen mit geringer Leistungsaufnahme und hoher Frequenz gefragt, während SiC in leistungsstarken Hochspannungsanwendungen eingesetzt wird.

Abbildung 1: Eigenschaften von SiC- und GaN-Material im Vergleich zu Silizium

Vorteile

Obwohl WBG-Halbleiter mehr kosten als Siliziumbausteine, werden sie schließlich durch verbesserte Fertigungskapazitäten und erweiterte Marktanwendungen wettbewerbsfähiger. Die physischen und elektrischen Eigenschaften von SiC- und GaN-Halbleitern ermöglichen es Geräten, bei viel höheren Spannungen, Frequenzen und Temperaturen als herkömmliches Silizium zu arbeiten. Ohne Leistungsverbesserungen bieten die WBG-basierten Geräte folgende Vorteile:

Viel kleinerer Platzbedarf und geringes Gewicht als vergleichbare Si-Bausteine.
Geringerer Kühlbedarf und kleinere passive Bauelemente tragen zu insgesamt niedrigeren Systemkosten bei.
Schnellerer Betrieb mit höherer Schaltfrequenz.
Eliminierung von Leistungsverlusten, die bei der Leistungsumwandlung auftreten.
Systeme mit reduziertem Lebenszyklus-Energieverbrauch und geringeren Kosten.
Erhöhte Lebensdauer durch reduzierte Verluste und thermische Belastung.
Zuverlässigere Geräte mit höherem Wirkungsgrad als ähnliche Modelle auf Siliziumbasis.

SiC-Bausteine und -Lösung:

SiC-Leistungsbausteine haben sich von Prototypen zu kommerziell erhältlichen Produkten entwickelt. Das zeigt der Markt, der mittlerweile unterschiedliche SiC-Leistungsbausteine von diskreten Bauelementen bis hin zu Leistungsmodulen anbietet. Nun kann man Dioden, JFETs, BJTs und MOSFETs aus SiC finden. Darüber hinaus sind diese Bausteine für unterschiedliche Nennspannungen von 600 V bis 1,7 kV und Nennströme von 2,6 A bis 325 A und mehr erhältlich. Darüber hinaus produzieren mehrere Hersteller heute SiC-Leistungsbausteine wie Nexperia, Genesic, Infineon, ON Semiconductor, MICROCHIP, ROHM, STARPOWER, Ween Semiconductors, STMicroelectronics, Vishay, Wolfspeed und Littelfuse. Infolgedessen ist die WBG-Technologie so weit gereift, dass sie als praktikabler Ersatz für Si-Teile gilt.

SiC-Dioden sind meist Schottky-Dioden (auch bekannt als Schottky-Barrier-Dioden oder SBDs). SiC-Schottky-Dioden bieten eine höhere Schaltleistung, mehr Effizienz und Leistungsdichte bei reduzierten Systemkosten. Darüber hinaus bieten diese Dioden keine Sperrverzögerungen, einen geringen Durchlassspannungsabfall, Stromstabilität, eine hohe Stoßspannungsfähigkeit und einen positiven Temperaturkoeffizienten. Der Markt bedient nun ein breites Portfolio an SiC-Dioden mit einer Durchbruchspannung von 650 V, 1200 V und 1700 V und einem durchgängigen Durchlassstrom (If) von 1 A bis 370 A. Standardgehäuse sind TO-247, TO-220 und SMD.

SiC-FETs entfalten neue Anwendungen bei erhöhter Leistung und höherer Spannung. Als direkter Ersatz für IGBTs und Si-MOSFETs bieten SiC-FETs verlustarmes, hochtemperaturbeständiges Handling, geringen Durchgangswiderstand über den Temperaturbereich und geringe Schaltverluste. Dadurch können SiC-MOSFETs mit höheren Durchbruchspannungen, besserer Kühlung und Temperaturbeständigkeit baulich kompakt gemacht werden. IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) werden hauptsächlich zum Schalten von Spannungen über 600 V verwendet, aber mit SiC-Materialien können MOSFETs bis 1700 V und mit höheren Strömen verwendet werden. SiC-MOSFETs haben auch deutlich geringere Schaltverluste als IGBTs und arbeiten mit vergleichsweise hohen Frequenzen.

SiC-MOSFETs benötigen spezielle SiC-Gate-Treiber, um im ausgeschalteten Zustand der MOSFETs eine negative Spannung an das Gate anzulegen und einen hohen Lade-/Entladeimpulsstrom zu liefern. Zudem sind sie für Gate-Operationen im Nanosekundenbereich ausreichend schnell. Die sorgfältige Berücksichtigung des Gate-Treiber-Designs gewährleistet eine optimale Leistung während Schaltübergängen und ist unerlässlich, um diese inhärenten Vorteile von SiC-MOSFETs zu optimieren. Neue Designs in allen Leistungsumwandlungsbereichen, einschließlich leistungsstarke AC/DC- und DC/DC-Wandler, verwenden zunehmend SiC-FETs.

Neben dem Markt für diskrete Bauelemente kann der Verbraucher nun eine Vielzahl von SiC-Leistungsmodulen und Evaluations-/Entwicklungsboards für verschiedene Anwendungen (z. B. den Motortreiber) finden.

Unternehmen bieten jetzt ein Portfolio zur einfachen Auswahl nach Kundenwunsch an. Zum Beispiel revolutioniert Infineon den Markt mit seinem SiC- und GaN-Produktportfolio. Die CoolSiC-Produktpalette des Unternehmens bietet SiC-Dioden, MOSFETs, Hybridmodule und Evaluationsboards mit überlegenen Leistungsmerkmalen. Dieses CoolSiC-Portfolio ermöglicht äußerst effiziente und kompakte Systemdesigns, die zukünftigen Anforderungen einer Erzeugung, einer Übertragung und eines Verbrauchs gerecht werden, welche intelligenter sind und eine bessere Energieeffizienz aufweisen.

Anwendungen

WBG erzielte im Jahr 1907 erstmals einen Marktwert mit handelsüblichen SiC-Leuchtdioden, die unterschiedliche Farbelemente abstrahlten. Moderne SiC- und GaN-Halbleitermaterialien haben eine bemerkenswerte Leistung in Bereichen wie Elektrofahrzeuge (EVs)/Hybrid-EVs, erneuerbare Energien und 5G mit praktischen Vorteilen gezeigt, um die Nachfrage von Verbrauchern und der Industrie zu befriedigen. Andere Anwendungen, bei denen die WBG-Leistungselektronik erhebliche Energieeinsparungen erzielt hat, umfassen Datenserver, AC-Adapter, Solarwechselrichter, Stromversorgungslösungen, Ladeschaltungen und Netzsteuerung. Darüber hinaus machen die ganzheitlichen Vorteile von WBG-Materialien sie zu idealen Kandidaten für Leistungselektronik für raue Umgebungen wie Militär-, Kfz-, Luft- und Raumfahrtanwendungen.

Abbildung 2. Technologie-Positionierung von Si, SiC und GaN (Bild zur Verfügung gestellt von: Infineon)

Abbildung 2 zeigt die überlappenden Anwendungen, bei denen Si, SiC und GaN verwendet werden, wobei die Auswahl auf Dichte, Effizienz und Kosten reduziert ist. Si-basierte Produkte wie Super Junction-MOSFETs oder IGBTs können über einen weiten Spannungsbereich (von wenigen bis zu mehreren hundert Volt) und in mehreren Leistungsklassen eingesetzt werden. Im Gegensatz dazu finden SiC-basierte Produkte ihren idealen Platz in Spannungsklassen bei und über 650 V (Überschreitung der Siliziumgrenzen und Erreichung von Leistungspegeln über 3 kV), und GaN-basierte Geräte eignen sich besser für Spannungsklassen unter 650 V. Sowohl SiC als auch GaN sind mit steigender Betriebsfrequenz progressiv besser als Si. Anwendungsanforderungen und Designziele bestimmen die Technologie der Wahl. Si-Halbleiterelemente sind eine kostengünstige Lösung für die meisten heutigen Anforderungen an Energieeffizienz und Leistungsdichte, aber bei einigen spezifischen Designanforderungen in Bezug auf thermische Aspekte oder äußerst hohe Dichte sind SiC- und GaN-Bauelemente die optimale Wahl.

In Zukunft sollen sich die WBG-Produkte weiter verbessern und letztendlich Silizium-basierte Bauelemente ersetzen. Allerdings wird erwartet, dass die Einführung von SiC aufgrund seiner Benutzerfreundlichkeit und des relativ einfachen Übergangs von Super Junction-MOSFETs und IGBTs für bestimmte Anwendungen etwas schneller erfolgen wird.