Deutlich mehr Anbieter SiC- und GaN-Leistungsschalter auf der Überholspur

Während sich Siliziumkarbid (SiC) vor allem für Applikationen mit Sperrspannungen über 1000 V empfiehlt, scheint sich das erst vor wenigen Jahren aus den Labors in die Entwicklungsphase übergegangene Galliumnitrid (GaN) zu einer Alternative zu entwickeln, die von Sperrspannungen von wenigen 100 V bis in den Bereich über 1200 V einsetzbar ist.

Einen Einblick in die Marktdynamik in Sachen SiC und GaN vermittelte im Mai die PCIM in Nürnberg. Dort präsentierten z.B. Cree und Rohm Semiconductor zwei Jahre nach ihren ersten SiC-MOSFET-Generationen ihre jeweils zweite Generation.

Cree zeigte 1200-V-Bauelemente mit doppelter Stromtragfähigkeit bei gleichen Kosten im Vergleich zur erste Generation. Gleichzeitig wurde, wie Paul Kierstead, Director of Marketing für SiC Power Products bei Cree erläutert, das Produktangebot ausgeweitet: Es schließt nun auch einen deutlich größeren 25-mΩ-Die ein, ausgelegt für leistungsstärkere Module von mehr als 30 kW. Bei der nun ebenfalls verfügbaren 80-mOhm-Version handelt es sich dagegen um ein kostengünstigeres, leistungsfähigeres Upgrade zur ersten Generation. Daneben stellte Cree auch sein voll qualifiziertes, produktionsfertiges SiC-Power-Modul vor. Als Muster auf der electronica 2012 gezeigt, ist dieses klassische Six-Pack auf eine maximale Sperrschichttemperatur von 150 °C ausgelegt und lässt sich mit Schaltfrequenzen bis 100 kHz betreiben.

Mit der SCT2xx-Serie hat auch Rohm Semiconductor seine zweite Generation SiC-MOSFETs auf den Markt gebracht. Diese N-Kanal-MOSFETs stehen mit unterschiedlichen On-Widerständen und Maximalströmen zur Verfügung. In TO247-Gehäusen untergebracht, werden sie ohne integrierte SiC-Schottkydiode geliefert. Bei der Variante SCH2080KEC ist eine SiC-Schottkydiode mit in das Gehäuse integriert. Alle Modelle der 2. Generation zeichnen sich durch eine maximale Sperrschichttemperatur von +175 °C aus.

Nachdem sich deutlich abzeichnet, dass das Rennen zwischen SiC-MOSFETs und -JFETs wohl zu Gunsten der MOSFETs ausgehen wird, steigt die Zahl derer, die nun in Sachen SiC-MOSFET Flagge zeigen: Mun bietet auch Mitsubishi Electric Semiconductor ein solches Produkt an, nachdem das Unternehmen zuvor jahrelang nur über Laborversuche berichtet hatte. Nach Aussage von Dr. Gourab Majumdar, Fellow der Mitsubishi Electric Semiconductor & Device Group, handelt es sich um 9 x 9 mm große SiC-MOSFETs, die auf 4-Inch-Wafern gefertigt werden. Ihren RSD(on) gibt er mit 4 mΩ/cm2 an, ihre Stromtragfähigkeit mit 100 A/cm2.

Noch im zweiten Halbjahr 2013 will sich auch STMicroelectronics in den Kreis der SiC-MOSFETs Anbieter einreihen und einen 1200-V-Baustein auf den Markt bringen. Erfolge bei der Weiterentwicklung der SiC-BJTs, der dritten Schaltervariante neben SiC-MOSFETs und -JFETs, meldet auch Alfred Hesener, Marketing Director von Fairchild Semiconductor. In Konkurrenz zu SiC-MOSFETs und -JFETs setzt er vor allem auf die deutlich kleinere Chipfläche der SiC-BJTs und die damit verbundenen niedrigen Kosten sowie auf die sehr kurzen Schaltzeiten.

Flagge zeigt auch Toshiba Electronics: Erstmals kommen in den SiC-Hybrid-Power-Modulen, die das Unternehmen nun auch in Europa anbietet, SiC-Dioden zum Einsatz, wie Henning Rausch, Senior Manager Strategic Marketing erläutert. Sie kombinieren eine SiC-Diode mit N-Kanal-Injection-Enhanced-Gate-Transistoren (IEGT). Entwickelt werden SiC-Dioden derzeit auch bei Renesas.

Eine sehr dynamische Entwicklung war auf der PCIM rund um das zweite für die Leistungselektronik interessante Alternativmaterial zu Silizium zu beobachten: Galliumnitrid (GaN). Neben dem Pionier International Rectifier, der seine GaN-Plattform schon im Herbst 2008 vorstellte und nun (für den einen oder anderen sicherlich überraschend) den ersten Serieneinsatz seiner GaN-Schalter in einem High-End-Audio-System von Samsung präsentieren konnte, zeigten mit Transphorm und GaN Systems gleich zwei Start-ups, wie weit sie schon mit ihren GaN-Schalter-Entwicklungen für Industrieapplikationen vorangekommen sind.

Auf Industrieapplikationen zielt auch IR mittel- und langfristig mit seinen GaN-Schaltern. Wie der CEO und President des Unternehmens, Oleg Khaykin, erläutert, ermögliche es der Einsatz in der Consumerelektronik, bei einem sowohl in puncto Qualität als auch Lieferfähigkeit anspruchsvollen Kunden wie Samsung, die Produktion viel schneller hochzufahren, als das derzeit im Industriebereich möglich wäre. Gleichzeitig erlaubt es dieser Schritt, nach einigen zehntausend Wafern mit GaN-Schaltern nun den endgültigen Beweis anzutreten, dass GaN auch in der Praxis hält, was es theoretisch verspricht.

Das mit diesem Wide-Band-Gap-Material verbundene Marktpotential hat Venture Capitalists dazu veranlasst, bislang über 130 Mio. Dollar in diese Technologie zu investieren. 105 Mio. davon gingen nach Darstellung von Carl Blake, Vice President of Marketing bei Transphorm, allein an dieses 2007 gegründete Unternehmen, das inzwischen einen JEDEC-qualifizierten Fertigungsprozess für seine GaN-on-Silicon gefertigten 600 V High Electron Mobility Transistors (HEMTs) vorweisen kann. Bei Aufträgen von 1000 Bauteilen liegt der Nettostückpreis für die Bauelemente TPH3006PS und TPH3006PD bei 5,89 Dollar.

Optimistisch, was die Annahme seiner GaN-Produkte durch Industriekunden angeht, zeigt sich auch Geoff Haynes, einer der drei universitären Gründer des kanadischen Start-ups GaN Systems. Seine Zuversicht stützt sich vor allem auf die »Island Technologie« seines Unternehmens, die gegenüber heutigen Silizium-Designansätzen mit GaN-Lösungen viermal kleinere bzw. leistungsfähigere Designs erlaubt. Unterstützt wird das Unternehmen seit kurzem durch Nigel Springett, der von Freiburg aus als Applications Consultant Kunden vor allem im deutschsprachigen Raum in der Einführungsphase der GaN-Leistungsschalttransistoren unterstützen soll.

Noch im Entwicklungsstadium befinden sich die GaN-Pläne von ON Semiconductor, wie Wolfgang Stammel berichtet, Sales Director EMSI EMEA. Das Unternehmen arbeitet dabei eng mit dem IMEC zusammen. Konkrete Produkte sind bei ON Semiconductor aus heutiger Sicht nicht vor 2015/16 zu erwarten. Bei Infineon Technologies, dem SiC-Pionier, gibt man sich derzeit beim Thema GaN noch zurückhaltend. »Wir werden dann mit Produkten auf den Markt kommen, wenn sie unsere hohen Standards in Bezug auf Qualität, Zuverlässigkeit und Lieferfähigkeit erfüllen«, beschreibt Andrea Bricconi den Stand der Dinge. Er ist als Senior Manager Strategic Marketing bei Infineon für das GaN-Programm verantwortlich. Dem Thema GaN-Schalter für Industrieanwendungen widmet sich auch Renesas, das seine Forschungs- und Entwicklungsansätze mit europäischen Schlüsselkunden vorantreibt.