Interview mit Power-Expertin Si, SiC und GaN im Vergleich

Auf der SEMICON Europa 2016 hielt Dr. Elena Barbarini eine der Keynotes der Power Electronics Conference. Seit Jahren analysiert sie Leistungshalbleiter, auch solche mit großer Bandlücke. Wir sprachen mit ihr über ihre Arbeit und ihre Forschungsergebnisse in Bezug auf Si, SiC und GaN.

DESIGN&ELEKTRONIK: Frau Dr. Barbarini, auf Ihrer Visitenkarte steht die Berufsbezeichnung »Senior Cost Engineer«. Bitte erzählen Sie uns ein wenig über Ihre Arbeit. Was machen Sie genau?

Dr. Elena Barbarini: Meine Arbeit besteht darin, den Fertigungsprozess elektronischer Bauteile aus technischer Sicht zu analysieren. So studiere ich vor allem die Struktur eines Bauteils in unserem eigenen Labor. Wir öffnen es, und dank dessen kann ich den Herstellungsprozess beschreiben. Mit diesen Informationen und einigen Annahmen, kann ich letzten Endes die Herstellungskosten für dieses Bauteil beziffern.

Wer sind Ihre Kunden? Welche Menschen interessieren sich für Ihre Arbeit?

Wir arbeiten für alle Branchen, die elektronische Bauteile herstellen oder einsetzen. So sind unsere Kunden nicht nur Halbleiterhersteller und Foundries, sondern auch Unternehmen aus den Branchen Automobiltechnik, Unterhaltungselektronik, Telekommunikation und Biomedizin. Wir bieten Reverse-Costing-Dienstleistungen, Werkzeuge für die Kostenanalyse sowie Schulungen und einen Katalog von Costing-Berichten. Einkaufsabteilungen nutzen Reverse-Costing-Studien für erweiterte Verhandlungen oder erweiterte Kalkulationen, Marketingabteilungen nutzen sie für die Wettbewerbsanalyse.

Was sind die wichtigsten Kostentreiber für Siliziumkarbid und Galliumnitrid? Und wie lassen sich diese Kostentreiber reduzieren?

Bei Siliziumkarbid sind es vor allem das Substrat und die relativ kleine Wafergröße, bei Galliumnitrid dagegen sind es die Epitaxie und die Ausbeute. Dies bedeutet nicht, dass bei SiC die Epitaxie und die Ausbeute gut sind, sie sind nur weniger wichtig bezüglich Kosten. Alle diese Kostentreiber sind mit dem Herstellungsprozess verbunden. Daher lassen sich durch die Entwicklung neuer Maschinen und die Verbesserung des Herstellungsprozesses die Kosten reduzieren.

Alex Lidow, der CEO von EPC, sagte mir auf der APEC 2016, sein Unternehmen habe den Break-even im Hinblick auf die Kosten von GaN-HEMTs im Vergleich zu Silizium-MOSFETs schon 2014 erreicht [1]. Sehen Sie das ebenso? Liegt es vielleicht daran, dass er seinen Bauteilen kein Gehäuse spendiert?

EPC produziert hauptsächlich Niederspannungsschalter für bis zu 200 Volt. Die Chips sind also relativ billig, weil die Epitaxie nicht so anspruchsvoll ist. Doch sie sind immer noch teurer als solche aus Silizium, aber die Tatsache, dass sie als Bare-Die vorliegen, ist sicher ein Vorteil.

Es ist allgemein bekannt, dass die klassischen TO-220- und TO-247-Gehäuse für Wide-Bandgap-Halbleiter ungeeignet sind. Das einzige Unternehmen, das meiner Meinung nach im Augenblick das richtig umsetzt, ist GaN Systems. Die aber verwenden proprietäre Gehäuse. Was muss sich beim Packaging tun?

Für Siliziumkarbid sind Standardgehäuse in Ordnung, die Unternehmen verwenden aber möglicherweise andere Materialien, beispielsweise eine härteres Spritzgussmaterial. Bei Galliumnitrid ist das Gehäuse ein relevanter Kostentreiber, denn die aktuellen Bauformen sind sehr teuer. Daher denke ich, dass zukünftige Gehäuse in Richtung neuer Materialien und neuer interner Designs gehen sollten. Auf der anderen Seite haben Standardgehäuse Vorteile bezüglich der Integration. Ein OEM bevorzugt es, sein System nicht zu redesignen, nur um eine teurere Komponente integrieren zu können, selbst wenn diese leistungsfähiger ist.

Steve Sanghi, der CEO von Microchip Technology, erklärte kürzlich in einem Interview, Wide-Bandgap-Halbleiter wür­den »Silizium für den allgemeinen Gebrauch in der Elektronik nie verdrängen« [2]. Stimmen Sie dem zu?

Ich stimme damit überein, dass die Elektronik noch für lange Zeit Silizium verwenden wird. Alle drei Materialien werden nebeneinander ihren Markt finden, aber Halbleiter mit großer Bandlücke werden für bestimmte Anwendungen die bessere Wahl sein.

GaN-on-Si lässt sich recht leicht auf größere Waferdurchmesser transferieren, da sehr kostengünstige Siliziumwafer als Trägersubstrat dienen. Dies sieht bei SiC ganz anders aus. Ist dies ein wichtiges Argument zugunsten von GaN-on-Si, wenn es im Wettbewerb mit SiC steht?

Die Wafergröße ist nicht das Schlüsselargument. Das beste Argument für GaN-on-Si ist seine Fähigkeit, bei sehr hohen Schaltfrequenzen arbeiten zu können. Für Niederspannungsschalter kann die Wafergröße ein Argument sein, wenn es darum geht, die Herstellungskosten zu reduzieren.

Im Spannungsbereich zwischen 600 Volt und 900 Volt eignen sich sowohl Superjunction-Silizium-MOSFETs als auch SiC-MOSFETs und GaN-HEMTs. Welcher wird in diesem Bereich dominieren?

Ich denke Superjunction wird gewinnen, weil es preislich die wettbewerbsfähigste Lösung ist. Aus technologischer Sicht ist GaN sehr interessant und wird bei Anwendungen mit hohen Schaltfrequenzen viel Einsatz finden. Und wenn der Preis für Galliumnitrid schließlich fallen wird, kann es die preislich wettbewerbsfähigste Lösung werden.

Wie groß ist der Anteil der Wide-Bandgap-Bausteine am Umsatz im Hinblick auf den gesamten Markt für Leistungshalbleiter heute, und auf welchen Wert wird dies im Jahr 2020 und darüber hinaus steigen?

Im Jahr 2015 betrug der Markt für Wide-Bandgap 1,78 Prozent; dazu gehören sowohl GaN als auch SiC, sowohl Dioden als auch Transistoren. Fürs Jahr 2020 erwarten wir, dass diese Zahl auf 4,47 Prozent des gesamten Marktes für Leistungshalbleiter steigen wird. Darüber hinaus veröffentlichen wir keine Schätzungen.

Neben den bereits erwähnten Halbleitermaterialien, sehen Sie auch noch andere Materialien? Diamant zum Beispiel?

Es gibt noch andere Materialien mit großer Bandlücke, die bereits in einigen Nischen verwendet werden. Es gibt GaAs für Hochfrequenz, auch GaO3 für Schottky-Barrier-Dioden und MOSFETs. GaO3 verwendet noch ein billigeres Substrat, hat aber eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Diamant hat fraglos die beste elektrische Performance, ist aber zu teuer. Ein weiteres Material mit großer Bandlücke ist AlN, das bereits für ultraviolette LEDs verwendet wird.

Vielen Dank für diese Einblicke, Frau Dr. Barbarini.

Das Interview führte Ralf
Higgelke.

Weiterführende Links

[1] Ralf Higgelke, »Ich hasse Gehäuse!«, DESIGN&ELEKTRONIK 05/2016, S. 24ff., goo.gl/k8cU7y
[2] Henning Wriedt, »VIP Interview with Steve Sanghi, CEO Microchip«, Bodo‘s Power Systems 09/2016, S. 22ff.