Galliumnitrid-HEMTs GaN im Einsatz

Langsam werden Leistungstransistoren aus Galliumnitrid marktreif. Da fragen sich die Anwender natürlich: Wie schaut die Roadmap der Hersteller aus? Wie kann ich GaN-HEMTs möglichst einfach in meine Schaltung integrieren?

Wolf-Dieter Roth, Technischer Redakteur, Hy-Line Power Components.

Galliumnitrid (GaN) war zunächst die Grundlage für blaue und damit auch weiße LEDs. Danach entdeckte man die besonderen Fähigkeiten des Materials für Hochfrequenztransistoren, den HEMTs (High Electron Mobility Transistors). Jene sind nun auch als Leistungsbauelemente verfügbar, beispielsweise von dem US-amerikanischen Hersteller Transphorm (Vertrieb: Hy-Line Power Components). Galliumnitrid hat die Vorteile geringer Leckströme und dass Halbleiter aus diesem Material sehr temperaturfest sind: So können GaN-Bausteine von Transphorm bis +175 °C Sperrschichttemperatur arbeiten, also höher als die meisten Silizium-MOSFETs. Mit einem Betrieb bis +150 °C, wie in Datenblättern spezifiziert, steigt die Zuverlässigkeit. Dank des hohen Wirkungsgrads und der hohen Elektronenbeweglichkeit, was die Schaltzeiten minimiert, erwärmt sich der Halbleiter weniger. Bei geringeren Temperaturen steigert die höhere Aktivierungsenergie Ea von GaN die Lebensdauer (Bild 1).

Die hohe Elektronenbeweglichkeit des HEMT entsteht dadurch, dass mindestens zwei unterschiedliche Verbindungshalbleitermaterialien mit unterschiedlicher Bandlücke zum Einsatz kommen – neben GaN beispielsweise noch AlGaN. An der Grenzschicht zwischen beiden Materialien entsteht dann das sogenannte zweidimensionale Elektronengas (2DEG), eine Zone, in der sich Elektronen entlang der Grenzfläche – und nur entlang dieser – besonders schnell bewegen können (Bild 2).

Ein Problem gängiger GaN-HEMTs ist, sie sind von Natur aus selbstleitende Verarmungstypen. Dieses Verhalten mögen Anwender gar nicht: Ein Bauteil, das ohne Steuerspannung einschaltet, ist in der Leistungselektronik absolut problematisch, weil ein Ausfall der Ansteuerung zum Durchschalten aller Leistungsstufen und damit zu Kurzschlüssen führt. Selbstsperrende Anreicherungstypen sind im Schaltungsdesign wesentlich angenehmer, doch beim GaN-HEMT eher als p-Typ-Varianten realisierbar, bei denen die Löcher und nicht die Elektronen den Ladungstransport übernehmen. Gegenüber n-Typ-Varianten haben jene bislang aber noch die schlechteren Kenndaten. Auch andere Designvarianten, die zu selbstsperrenden HEMTs führen, haben funktionelle Nachteile und erreichen beispielsweise nur bis zu 200 V Sperrspannung.

Dieses Problem löst Transphorm aktuell durch eine Kaskodenschaltung aus einem selbstsperrenden Niederspannungs-MOSFET in Silizium und einem üblichen n-Typ-HEMT (Bild 3): Bei kleinen Spannungen ist der konventionelle MOSFET noch schnell genug und die Kaskode ist so ebenfalls selbstsperrend. Ein Miller-Plateau tritt nicht in Erscheinung und 650 V Sperrspannung wie bei Silizium-IGBTs und -MOSFETs sind kein Problem. Dieser Kaskoden-HEMT lässt sich prinzipiell wie ein gewöhnlicher Silizium-Leistungs-MOSFET verwenden. Da­her eignen sich herkömmliche IGBT- und MOSFET-Treiberschaltungen auch für GaN-HEMTs und Steuerspannungen bis zu ±18 V erhöhen den Störabstand.