Nachlese PCIM Europe GaN-on-Silicon klebt SiC an den Fersen

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Wide-Bandgap-Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) bieten einige entscheidende Vorteile gegenüber Silizium. Nachdem Bauteile aus SiC schon seit einigen Jahren verfügbar sind, holt nun GaN-on-Silicon stark auf, wie auf der PCIM Europe deutlich wurde.

Neben den Herstellern klassischer Siliziumlösungen spüren zunehmend auch die SiC-Spezialisten den Atem der GaN-on-Silicon-Pioniere im Nacken. Neben 600/650-V-Lösungen, die in Zukunft wohl vor allem von GaN-on-Silicon-Lösungen gestellt werden und sich zu einer massiven Konkurrenz für siliziumbasierte Superjunction-MOSFETs entwickeln werden, zeichnet sich ab, dass wohl noch 2014/15 die ersten 1200-V-Schalter in GaN-on-Silicon-Technik auf den Markt kommen werden. GaN-Pioniere wie Dr. Umesh Mishra, CTO und einer der Gründer von Transphorm, sehen ihre Technologie sogar bis zur 1700-V-Schwelle im Vorteil.

Ein Wettbewerbsdruck, der die SiC-Spezialisten anstachelt. So präsentierte Cree auf der PCIM Europe den ersten kommerziell erhältlichen 1200-V-SiC-MOSFET mit einem RDS(on) von 25 mΩ. Untergebracht in einem Standardindustriegehäuse des Typs TO-247-3, ist der C2M0025120D für einen Pulsstrom von 250 A spezifiziert. Um die Markteinführung zu erleichtern, werden komplette Referenzdesigns zu empfohlenen Gate-Treiber-Schaltungen für SiC-MOSFETs angeboten. Als Ergänzung seines Z-Rec-Schottky-Dioden-Portfolios präsentierte das Unternehmen zudem noch zwei neue diskrete 650-V-SiC-Gleichrichter.

Bei Rohm Semiconductor haben die Entwickler inzwischen die dritte Generation SiC-MOSFETs zur Serienreife gebracht, und dazu dieses Mal die Trench-Gate-Struktur gewählt. Gegenüber den planaren Ausführungen der Vorgängergeneration weisen sie über den gesamten Temperaturbereich nur einen halb so hohen Einschaltwiderstand auf. Rohm gelang es zudem, Probleme mit Durchbrüchen der Oxidschicht bei hohen Drain-Source-Spannungen zu beheben. Dies resultiert in höherer Zuverlässigkeit und Stromtragfähigkeit bei reduzierter Zellendichte.

Wie lange hält Infineon noch am JFET fest?

Und die anderen? Bei Infineon Technologies sieht es so aus, als ob man als Einziger noch eine Alternative zum SiC-MOSET anbieten möchte. »Infineon hat als einziges Halbleiterunternehmen die SiC-JFET-Technologie zur Marktreife gebracht und auch eine nennenswerte Anzahl von Produkten auf Basis dieser Technologie erfolgreich am Markt etabliert«, so Peter Friedrichs, verantwortlich für das Thema SiC bei Infineon Technologies. »Parallel dazu entwickeln wir die MOSFET-Technologie auf Siliziumkarbid-Basis, mit dem Ziel einer weiteren Verbesserung des Preis-Leistungs-Verhältnisses«.

Ähnlich sieht es bei Fairchild Semiconductor aus. Die letzten zwei Jahre hat das Unternehmen damit verbracht, Entwickler von den Vorteilen seines SiC-Bipolartransistors zu überzeugen, die neben sehr kurzen Schaltzeiten vor allem in einer deutlich kleineren Chipfläche und den damit verbundenen niedrigeren Kosten lagen. Vorbei – auch Fairchild konzentriert sich nun auf die Entwicklung und Produktion von SiC-MOSFETs, der Easy-to-use-Variante der Leistungshalbleiter in Siliziumkarbid-Ausführung.

Während man sich bei STMicroelectronics darauf konzentriert, seinen vor kurzem vorgestellten 1200-V-SiC-MOSFET, von dem bislang Engineering-Samples erhältlich sind, in die Serienreife zu bekommen, und die Massenproduktion im zweiten Halbjahr 2014 zu starten, setzt man bei Mitsubishi Electric bislang vor allem auf den internen Einsatz der eigenen SiC-Aktivitäten. Ähnlich liegt der Fall bei Toshiba Electronics. Beide Unternehmen bieten inzwischen Hybrid-Module an, die Siliziumkarbid- und Siliziumlösungen verbinden.

GaN-MOSFETs mit 600 V gehen in Serie

War Galliumnitrid noch vor zwei, drei Jahren ein vielversprechendes Material, mit dem sich offenbar vor allem Start-ups beschäftigten, hat sich dieses Bild inzwischen deutlich gewandelt. Verantwortlich dafür waren Anfang des Jahres vor allem die Ankündigungen von Panasonic und Transphorm, noch in diesem Jahr mit der Serienfertigung von GaN-on-Silicon-Leistungshalbleitern mit 600 V Sperrspannung zu beginnen. Während Transphorm seine Leistungshalbleiter auf den 8-Zoll-Wafern der Aizu-Wakamatsu Fab von Fujitsu Semiconductor produziert, werden die Bauteile von Panasonic auf 6-Zoll-Wafern im Werk Hokuriku vom Band laufen.

Und was macht GaN-Pionier International Rectifier? Sechs Jahre nach der ersten Präsentation der GaN-Plattform für Leistungshalbleiter auf der electronica 2008, wird das Unternehmen in den nächsten Monaten, nach den Worten seines CEOs Oleg Khaykin nun den nächsten großen Schritt tun. Nachdem IR bereits seit dem letzten Jahr Low-Voltage-GaN-Lösungen anbietet, die unter anderem von Samsung für Home-Entertainment-Lösungen eingesetzt werden, wird IR wohl noch vor der diesjährigen electronica 600-V-GaN-on-Silicon-MOSFETs auf den Markt bringen. Einen Vorstoß, den Khaykin so erläutert: »Sieben Jahre, nachdem wir einen Teil unseres Produktportfolios an Vishay verkauft haben, läuft die Vereinbarung, dass wir nicht im High-Voltage-MOSFET-Bereich aktiv sein dürfen aus. Da es aber wenig Sinn macht, als Soundsovielter Superjunction-MOSFET-Anbieter wieder in dieses Marktsegment einzusteigen, setzen wir stattdessen auf GaN-on-Silicon«. Aktuell sind nach seinen Worten über ein Dutzend Schlüsselkunden bereits damit beschäftigt, Applikationen sowohl mit Mid- als auch mit High-Power-GaN-on-Silicon-Lösungen von IR zu entwickeln. Beginnend auf 6-Zoll-Wafern wird IR die Fertigung der neuen Bausteine mit steigender Nachfrage auf 8 Zoll überführen.

Während IR das eigene Produktportfolio ausbaut, ergänzt Transphorm konsequent sein Patentportfolio. Als letztes erwarb das Startup dazu etwa knapp hundert einschlägige Patente von Furukawa Electric. »Dabei handelt es sich um sehr alte Patente, die sich sowohl auf Epi wie auf Devices beziehehen«, erläutert Dr. Mishra. »Damit verfügen wir nun über rund 650 Patente in diesem Bereich. In ihrer Mischung ergibt sich darauf für uns eine sehr komfortable Situation«. Zusammen mit seinem Mitgründer, Dr. Primit Parikh, den President von Transphorm, zeigt er sich überzeugt davon, dass GaN-on-Silicon nicht nur das Rennen gegen klassische siliziumbasierte Lösungen wie Superjunction-MOSFETs machen wird, sondern auch gegen SiC-Lösungen im 650-V-Bereich. »In diesem Bereich ist SiC schon heute nicht wettbewerbsfähig«, versichert er. »Und das könnte sich in Zukunft auch auf höhere Spannungen ausdehnen«.

Auf ausreichende eigene IP darf wohl Infineon Technologies setzen. »Wir beschäftigen uns auch intensiv mit GaN-basierten Leistungshalbleitern«, so Steffen Metzger, der für dieses Thema zuständige verantwortliche Manager bei Infineon. »Wie konzentrieren uns dabei aber nicht alleine auf Performance, sondern auf unsere selbstgesetzten, hohen Standards bezüglich Qualität, Zuverlässigkeit und Lieferfähigkeit. Sobald die Rahmenbedingungen dafür geeignet sind, werden wir den GaN-Markt mit einem breiten Produktportfolio aktiv mitgestalten«.

Sehr zuversichtlich, was das eigene Know-how in Sachen GaN-on-Silicon angeht, gibt man sich auch beim kanadischen Startup GaN Systems. »Unserer Meinung nach sind wir das erste Unternehmen mit einem solchen Angebot an GaN-Transistoren von 100 bis 650 V, die jetzt als Muster erhältlich sind und angefordert werden können«, verkündet Girvan Patterson, der President des Unternehmens. Die Kanadier haben sich nicht nur um die Weiterentwicklung ihrer speziellen »Island«-Technologie gekümmert, sondern auch thermisch sehr effiziente Gehäuse (GaNpx-Package) für ihre Transistoren entwickelt, die sich durch sehr geringe Induktivität auszeichnen.

GaAs als Material für Leistungshalbleiter

Dass es auch noch andere Lösungen wie SiC und GaN gibt, war auf der PCIM bei Clifton zu erfahren. Das Unternehmen verfügt über eine HV-GaAs-Technologie, die laut Cliftons CFO, Dr. Gerhard Bolenz, »gegenüber SiC und GaN niedrigere Produktionskosten und Preise erlaubt«. Erstes Produkt des Unternehmens ist eine 600-V/15-A-PIN-Diode. »Wir gehen davon aus, dass unsere Produkte etwa die Hälfte von GaN-Devices kosten werden«, versichert. Dr. Bolenz. »Unsere Technologie kann 100 A mit einem 1200-V-Chip handeln«, erläutert Dr. Volker Duded, der CTO des Unternehmens. »In SiC-Technologie würde das drei bis vier Chips erfordern«. Noch in diesem Jahr will das Unternehmen sehr schnelle Dioden mit bis zu 1700 V auf den Markt bringen, im nächsten Jahr soll dann ein 600-V-GaAs-Heterojunction-Bipolar-Schalter mit 600 V folgen, für 2016 kündigt Clifton ein Bauteil dieser Art mit 1200 V an.