Leistungshalbleiter - Wo geht die Reise hin?

Immer leichter, immer effizienter und immer leiser werden die meisten Systeme durch die moderne Leistungselektronik. Viele Innovationen wie Handys, Hybridfahrzeuge oder kompakte geregelte Antriebe wären ohne sie undenkbar. Daher wollen wir Rückblick halten und Entwicklungen der kommenden Jahre aufzeigen.

Immer leichter, immer effizienter und immer leiser werden die meisten Systeme durch die moderne Leistungselektronik. Viele Innovationen wie Handys, Hybridfahrzeuge oder kompakte geregelte Antriebe wären ohne sie undenkbar. Daher wollen wir Rückblick halten und Entwicklungen der kommenden Jahre aufzeigen.

Wer von uns freut sich nicht, dass elektrische Systeme energiesparender sind als früher, leiser, leichter und kleiner? Außerdem sind sie auch leichter anzusteuern. All das ist unter anderem auf Fortschritte bei den Leistungshalbleiter- und Smart- Power-ICs zurückzuführen. Diese Fortschritte treiben folgende Aspekte:

  • Energieeinsparung durch neue Schaltungstopologien, basierend auf neuen Halbleiterkonzepten,
  • Miniaturisierung elektrischer Systeme,
  • Kostenreduzierung durch Systemintegration,
  • gesteigerte Zuverlässigkeit durch höhere Integrationsdichte und
  • erhöhte Betriebstemperaturen.

Dieser Artikel greift beispielhaft die Bereiche IGBTs, Siliziumkarbid (SiC) und Treiber für Leistungshalbleiter heraus, um diesen Fortschritt zu dokumentieren, und zeigt auf, wohin in diesen Bereichen die Reise geht.

Für Umrichter, wie sie in der Automatisierungs- oder in der Antriebstechnik vorkommen, gibt es einen zunehmenden Bedarf für ein abgestimmtes System aus Steuerung, »intelligentem« Treiber und Leistungsschalter. Schlüsselparameter für die Leistungsschalter sind Robustheit, Durchlass- und Schaltverluste und natürlich die Kosten. Künftige Entwicklungen konzentrieren sich mehr auf die indirekten Beiträge zu den Verlusten der Leistungsschalter in Umrichtersystemen. Diese werden auch umso wichtiger, je höher die Lastströme sind. Daher versuchen die Entwickler heute, den IGBTs und Freilaufdioden eine inhärente »Softness« zu verleihen und sie besser steuerbar zu machen. Weitere Verbesserungen ermöglichen jeweils optimiertes Zellendesign und vertikale Strukturen, im Wesentlichen verbesserte Feldstopp-Strukturen.

IGBTs gelten als Schlüsselbauelement in diesen Anwendungsgebieten, und diese haben in der letzten Dekade erhebliche Fortschritte bezüglich Verluste in Verbindung mit kleineren Chipgrößen gemacht. Damit ließen sich immer kompaktere und billigere Gehäuse und damit auch Inverter entwickeln (Bilder 1 und 2). Ermöglicht hat diesen Fortschritt die Einführung moderner IC-Techik in den IGBT-Prozess, das heißt kleine planare Transistorzellen sowie auch Trench-Transistorzellen, aber auch evolutionäre Schritte in der Vertikalstruktur von PT (Punch Through) zu NPT (Non Punch Through) und Feldstopp (Bild 3) in Verbindung mit einer anspruchsvollen Dünnwafertechnik.

Bei SOI-Bauelementen bestimmt hauptsächlich das verwendete Substratmaterial mit seinen individuellen Eigenschaften den Preis. Viele übliche SOI-Wafer weisen eine »vergrabene« Oxidschicht mit nur wenigen hundert Nanometern Dicke auf und darauf einen meist noch dünneren Siliziumfilm. Hergestellt werden diese Wafer mittels SIMOX-Prozess oder mit Wafer-Bonding- Verfahren. Anstatt der typischen p- oder n-Wannen für CMOS-Transistoren, werden die Bauelemente innerhalb dieses dünnen Siliziumfilms in lateral und vertikal isolierten Inseln platziert (Bild 6).

Deshalb lassen sich höhere Packungsdichten und kleinere Chipflächen realisieren. Neben den Kosten gibt es technische Herausforderungen für künftige Bauelemente. In einigen Fällen müssen Controller und Treiberschaltung sehr nahe bei den Leistungsschaltern platziert werden, auf einem gemeinsamen Chipträger oder im gleichen Gehäuse. Außerdem müssen die Schaltkreise auch noch oberhalb von +175 °C dauerhaft funktionieren.

Es ist wohlbekannt, dass SOI-Bauelemente in Dünnfilm- Silizium eine bessere Temperaturstabilität, kleinere Leckströme und keinen Latchup-Effekt aufweisen. Um eine isolierte Signalübertragung in einem IC zu integrieren, sind Optokoppler oder Hochvolt-Levelshifter- Schaltungen üblich. Beide Lösungen weisen aber wesentliche Nachteile auf: Beispielsweise verschlechtert sich die Transfercharakteristik von Optokopplern mit der Zeit, Levelshifter reagieren empfindlich auf EMI-Einstreuung. Deshalb sind mehrere neue Lösungen in der Entwicklung. Mögliche technische Lösungen schließen auch die Ausnutzung des Piezoeffektes, dielektrische Übertragung über kapazitive Koppler oder magnetische Übertragung mit primärer und sekundärer Spule ein. Die magnetische Übertragung ist insofern günstig, da sich hier die Vorteile eines Pulstransformators mit den Vorteilen der IC-Produktionstechnik kombinieren lassen.

Produkte mit dieser Technik sind jüngst unter dem Namen »Coreless Transformer « auf den Markt gekommen. Die logischen Funktionen des Übertragers wurden in einen primären Chip (Bild 7) eingebaut. Die in diesem Beitrag besprochenen Innovationen lassen hoffen, dass die Energieeinsparung, die Lärmreduzierung wie auch die Gewichts- und Volumenreduzierung noch nicht ihr Ende gefunden haben.