Selbstsperrender GaN-Transistor Echte Alternative zum MOSFET

Bislang vorgestellte GaN-Transistoren hatten einen großen Nachteil: Im Normalzustand sind sie selbstleitend. Vom MOSFET sind die Entwickler aber selbstsperrende Schalter gewöhnt. Nun ist ein selbstsperrender GaN-Transistortyp vorgestellt worden, der eine Sperrspannung von bis zu 800 V haben könnte.

Mehr als 35 Jahre beherrschte der Leistungs-MOSFET die Powermanagement-Systeme. Grund dafür waren die ständige technologische Weiterentwicklung seiner Halbleiterstruktur sowie seine einfache Anwendung in verschiedenen Schaltungstopologien. Doch zu Beginn des neuen Jahrtausends erreichten Leistungs-MOSFETs ihre theoretischen Grenzen, sodass weitere Fortschritte bei Stromversorgungen und Powermanagement-Systemen mit diesem Schaltelement nicht mehr so einfach möglich waren. Aktuelle Trends beim Netzteildesign sowohl für industrielle als auch kommerzielle Anwendungen konzentrieren sich auf höhere Wirkungsgrade und Leistungsdichten, die über die Fähigkeiten der siliziumbasierten MOSFET-Technik hinausgehen. Daher begannen Entwicklungsingenieure nach Schaltelementen zu suchen, die in der Lage sind, den Bedürfnisse moderner Stromversorgungen und Power-Management-Systeme gerecht zu werden. Das war der Start für die Konzeption von Galliumnitrid-Transistoren (GaN).

Anfang der 2000er Jahre wurden die ersten GaN-Transistoren vorgestellt. Mit seinen vielversprechenden Eigenschaften bei hohen Schaltgeschwindigkeiten und -frequenzen, einem sehr niedrigen Durchlasswiderstand und einer hohen Durchbruchspannung wird GaN als Leistungshalbleitermaterial der nächsten Generation propagiert. Es hat – anders als gewöhnliche MOSFETs aus Silizium – die erforderlichen Eigenschaften, um die Leistungsdichte auf Hunderte Watt pro Kubikzoll zu schrauben und den Wirkungsgrad der Stromversorgung auf eine höhere Ebene zu heben.

Zwar haben Siliziumkarbid-Schalter Vorteile bei Sperrspannungen ab 1,2 kV, aber im Massenmarkt bei Sperrspannungen von 600 V bis etwa 900 V punkten GaN-Transistoren bei der Kostenstruktur aufgrund der relativ kostengünstigen Siliziumwafer. Wegen der geringen Sperrverzögerungsladung Qrr eignen sich GaN-Schalter auch als Ersatz von schnellen SiC-Dioden, sodass sie zum Beispiel das Design hocheffizienter brückenloser Totem-Pole-PFC-Schaltungen möglich machen.

Bislang vorgestellte GaN-Schalter hatten jedoch einen gravierenden Nachteil: Im Normalzustand sind sie selbstleitend (normally on). Anders als MOSFETs leiten sie also Strom, wenn keine Gate-Spannung anliegt. Nur durch eine negative Gate-Spannung lassen sich GaN-Transistoren wirklich sicher ausschalten (Bild 1, rote Kurve). Dies warf bei den Entwicklungsingenieuren Sicherheitsbedenken auf und hat verhindert, dass sie im Markt weite Verbreitung fanden. Als Gegenmaßnahme haben die Chiphersteller eine Kaskodenstruktur implementiert, um ein pseudo-selbstsperrendes Bauteil (normally off) zu erhalten.

Die Kaskode besteht aus einem GaN-Transistor und einem Standard-Silizium-MOSFET mit niedriger Sperrspannung in Serie dazu (Bild 2). Beide Schalter sind in einem Gehäuse als Modul oder als Multi-Chip-Lösung verpackt. Wesentliche Nachteile der Kaskodenstruktur bestehen darin, dass es nicht möglich ist, die Schaltgeschwindigkeit des GaN-Elements direkt zu steuern, und dass solche Bauteile offensichtlich komplexer zu fertigen sind und die zusätzlichen Bond-Drähte die parasitäre Induktivitäten weiter erhöhen.

Neue Transistorstruktur

Panasonic hat nun die »GIT«-Technologie (Gate Injection Transistor) vorgestellt (Bilder 3 und 4).

Ohne den Umweg über einen zusätzlichen Silizium-MOSFET oder eine Kaskode machen zu müssen, der die Bauteilstruktur verkomplizieren würde, hat das Unternehmen einen GaN-Transistor mit echter selbstsperrender Charakteristik (Bild 1, blaue Kurve) in einem einzelnen Gehäuse entwickelt.

Die GIT-Struktur nutzt eine p-dotierte AlGaN-Schicht als Gate-Elek-trode. Liegt keine Gate-Source-Spannung an (Bild 5), werden die Elektronen im Kanal in der AlGaN/GaN-Schnittstellenschicht ausgeräumt. Es fließt kein Drain-Strom im Transistor, wenn keine Gate-Source-Spannung injiziert wird. Es zeigt sich die typische Charakteristik eines selbstsperrenden Betriebs, die dem eines herkömmlichen Silizium-MOSFETs ähnelt.

Liegt eine Gate-Source-Spannung an, die höher als die Schwellenspannung ist (Bild 6), werden Löcher aus der p-dotierten AlGaN-Schicht in den Kanal injiziert, was eine Modulation seiner Leitfähigkeit zur Folge hat. Es entsteht eine äquivalente Menge von Elektronen im Kanal, die in die Drain-Elektrode fließen und so den Drain-Strom erhöhen. Da die effektive Masse der Löcher 100-mal größer ist als die der Elektronen, bleiben die injizierten Löcher im Bereich des Gates, wodurch die Zahl der Elektronen auf etwa das 100-fache zunimmt. Durch dieses Phänomen fällt der Widerstand des Transistors drastisch. Auch wenn die GIT-Transistoren auf bipolaren Mechanismen beruhen (es kommen positive und negative Ladungsträger zum Einsatz), gibt es – anders als bei IGBTs – keinen Tail-Strom beim Ausschalten.

Da die Elektronen, die an der Schnittstelle zwischen AlGaN und GaN auftreten, sehr beweglich sind, ist auch die Schaltgeschwindigkeit sehr hoch. Daher kann durch den Einsatz eines p-dotierten AlGaN-Gates und durch Ausnutzen der Leitfähigkeitsmodulation durch Löcherinjektion von der Gate-Elektrode ein echter selbstsperrender Betrieb erreicht und der Durchlasswiderstand drastisch reduziert werden.

Bislang kamen GaN-Transistoren vor allem in Niederspannungsanwendungen zum Einsatz. Es war nahezu unmöglich, GaN-Transistoren für Hochspannungsanwendungen mit mehreren hundert Volt zu nutzen. Grund dafür ist ein Phänomen namens »Current Collapse«. Dabei steigt der Durchlasswiderstand, wenn eine hohe Spannung am Bauteil anliegt. Ursache dafür sind vermutlich Elektronen, die im Material unter einem starken elektrischen Feld eingefangen worden sind. Allerdings ist der genaue Mechanismus, der den Current-Collapse verursacht, noch nicht völlig geklärt, und die Forschung dazu steckt noch in den Kinderschuhen.

Anhand von Bild 7 lässt sich der Current-Collapse folgendermaßen veranschaulichen: Während des ersten Leitend-Zustandes des GaN-Transistors fließt der Strom nach der Ausbildung des Kanals ganz normal. Wenn das Bauteil anschließend ausgeschaltet wird, bleiben einige Elektronen im Kanal hängen; nach Expertenmeinung entstehen so »gefangene Elektronen«, die den reibungslosen Stromfluss schließlich behindern.

Der Durchlasswiderstand nimmt kontinuierlich zu, während das Leistungsbauelement weiter ein- und ausschaltet (Bild 8). Dieses Phänomen führt zu dem Begriff des dynamischen oder transienten Einschaltwiderstands. Eingefangene Elektronen treten an der Grenzfläche zwischen GaN und AlGaN auf, wenn eine hohe Spannung anliegt. Die Menge der eingefangenen Elektronen hängt vom elektrischen Feld am Rand der Drain-Gate-Seite ab. Der Anstieg des Durchlasswiderstands verschlechtert die Leistungsfähigkeit der Anwendung, das Bauteil erwärmt sich, und es kann schließlich zerstört werden. Dies stellt ein hohes Sicherheitsrisiko für Hochspannungsanwendungen dar.

»Current Collapse« verhindern

Um einen Current-Collapse zu verhindern und den sicheren Betrieb bei hohen Spannungen zu gewährleisten, senkt Panasonic durch einen besonderen Fertigungsprozess die Dichte der »eingefangenen Elektronen« im Material. Die Kristallqualität sowie die Transistorstruktur sind verbessert, um das elektrische Feld zu verkleinern. Den selbstsperrenden GIT hat Panasonic mit bis zu 800 V Sperrspannung getestet. Die Tests zeigen, dass sich selbst bei einer so hohen Spannung der Einschaltwiderstand des Bauteils nicht verschlechtert, anders als bei herkömmlichen GaN-Strukturen (Bild 9). Der GIT ist also ein Current-Collapse-freier GaN-Transistor, sodass er sich gut für Hochspannungsanwendungen eignet.

Die laterale Struktur des GIT ist beim schnellen Schalten vorteilhaft, denn deren parasitäre Kapazität ist deutlich niedriger als bei der vertikalen Struktur, wie sie bei herkömmlichen Silizium-basierten Leistungstransistoren, zum Beispiel bei Superjunction-MOSFETs, meist verwendet wird. Die sogenannte Figure-of-Merit (RDS(on) ∙ QG) liegt beim selbstsperrenden GIT bei 715 mΩ ∙ nC, also etwa einem Zehntel des Werts von modernen Siliziumbausteinen. Und weil der GaN-Schalter direkt angesteuert wird, lässt sich beim GIT der Gate-Treiber nach den jeweiligen Anforderungen an das du/dt und/oder di/dt (innerhalb der Grenzen, welche die Parasitären zulassen) entwerfen – ein großer Vorteil gegenüber einer Kaskode.

Welches Potential ein solches GaN-Bauteil hat, wurde an einem resonanten LLC-Wandler überprüft. Bei 1 MHz Taktfrequenz und 1 kW Ausgangsleistung lag der Wirkungsgrad dieses DC/DC-Wandlers bei über 96%. Da der GIT im Betrieb sehr einem Silizium-MOSFET ähnelt, kann dieses Know-how einfach auf dieses selbstsperrende Bauteil übertragen werden.

Die Kombination aus Rückwärtsleitung (Reverse Conduction) und niedriger Figure-of-Merit macht den GIT für Umrichterdesigns interessant. Da die Freilaufdioden entfallen, spart man Bauteile ein. Zudem lässt sich die Frequenz des Wechselrichters erhöhen, sodass der Entwickler den besten Kompromiss zwischen Verlusten im Wandler und Verlusten im Antrieb durch Reduzierung der Verzerrung beziehungsweise Welligkeit am Wandlerausgang finden kann.

Über die Autoren:

Howard Sin ist Principal Engineer und Francois Perraud ist im Produktmarketing tätig, beide im Bereich Halbleiter von Panasonic Industrial Devices.