Leistungselektronik bei der IEDM Europa als Innovationstreiber

Auf dem 65. IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) finden sich zum Thema Leistungselektronik Fortschritte bei Festkörperbatterien, GaN-Leistungsbauelementen mit 1200 V und monolithisch integrierten GaN-on-SOI-ICs – allesamt aus Europa.

Dass Europa in Sachen Leistungselektronik führend ist, wird auf der IEDM Anfang Dezember in San Francisco deutlich. Forscher von CEA-Leti werden eine Dünnschichtbatterie mit der bisher höchsten flächenbezogenen Energiedichte diskutieren. Ein von der EPFL geleitetes Team wird über neuartige laterale GaN-Leistungsschalter berichten. Und ein Team unter der Leitung des imec wird monolithisch integrierte GaN-on-SOI-ICs für die Leistungswandlung vorstellen.

Mehrkanalige laterale GaN-Transistoren

Ein Team der EPFL und dem chinesische Halbleiterspezialist Enkris Semiconductor stellt mehrkanalige laterale Leistungsbauelemente aus AlGaN/GaN mit hoher Durchbruchspannung (1230 V) und niedrigem spezifischem Einschaltwiderstand (2,8 Ω⋅mm) berichten, was zu einer Leistungsdichte von 3,2 GW/cm² führt. Die Forscher nennen diese Bauelemente MOSHEMTs, und sie haben eine mehrkanalige Struktur mit schrägen Tri-Gates, ähnlich wie FinFETs. Deren Struktur lässt sich modifizieren, sodass sie die Performance des Bauelements »einzustellen«. Der Durchlasswiderstand ist bei gleicher Durchbruchspannung etwa fünfmal niedriger als bei einkanaligen GaN-HEMTs. Bisher ließen sich mehrere parallele Kanäle mit einer typischen Gate-Architektur nur schwierig beherrschen, anders als mit der nun vorgeschlagenen Tri-Gate-Struktur. Außerdem lassen sich damit selbstsperrende Leistungsschalter bauen.

Bild 1 zeigt oben (a) die mehrkanaligen abgeschrägten Tri-Gate-MOSHEMTs, (b) eine Draufsicht, (c) gezoomte Rasterelektronenbilder, (d) eine Querschnittszeichnung der Bauelemente und (e-g) eine vierkanalige Struktur, die vier parallele Multi-Channel-Strukturen enthält, die durch zwei Arten von Trennschichten gebildet werden. Im unteren Teil von Bild 1 werden die schrägen Tri-Gate-MOSHEMTs mit konventionellen einkanaligen GaN-basierten HEMTs verglichen. Diese zeigen signifikante Verbesserungen des Einschaltwiderstands (links) und der Durchbruchspannung (rechts).

Monolithisch integrierte All-GaN-ICs

Ein Team unter der Leitung des imec stellt monolithisch integrierte GaN-on-SOI-ICs für die Leistungswandlung vor. Mit dieser Technologie hat das Team einen kompletten isolierten  Abwärtswandler gebaut, der auf einem Chip 200 V bei 1 MHz wandelt. Das SOI-Substrat (Silicon on Isulator) eliminiert den Back-Gate-Effekt, der Energie kostet. Außerdem unterdrückt es andere parasitäre Effekte, bietet eine wirksame galvanische Trennung und reduziert den Flächenbedarf. Das Team untersuchte die Technologie umfassend aus mehreren Blickwinkeln: Substrat, Pufferlagen, Isolierung, Bauteilstrukturen, Co-Integration und Schaltungstechnik. Verschiedene Komponenten wurden erfolgreich monolithisch integriert, darunter HEMTs, Schottky-Barriere-Dioden, MIM-Kondensatoren, 2DEG-Widerstände und Widerstands-Transistor-Logik.

Das Bild 2 zeigt im Querschnitt die verschiedenen GaN-IC-Komponenten auf dem Substrat. Unten ist (a) ein Schaltplan für einen Doppelpulstest, (b) das Packaging des GaN-ICs mit integriertem Treiber und Power-HEMT und (c) auf einer Leiterplatte zu sehen.

Integrierbare Dünnschichtbatterie mit hoher Energiedichte

Bei der Miniaturisierung von Elektronik hat es große Fortschritte gegeben, nicht aber bei Energiequellen. Obwohl integrierte elektrochemische Kondensatoren eine hohe Leistungsdichte, einen guten Frequenzgang und neuartige Formfaktoren bieten, sind sie angesichts ihrer geringen Energiedichten nur begrenzt geeignet für MEMS- und autonome Geräteanwendungen, bei denen lange Ladeperioden erforderlich sind. Forscher von CEA-Leti stellen eine Dünnschichtbatterie vor, deren flächenbezogene Energiedichte 890 µAh/cm² und deren Energiedichte 450 µAh/cm² beträgt. Die Dünnschichtbatterie baut auf Siliziumwafern auf, die mittels UV-Fotolithografie und Ätzen schrittweise strukturiert und abgeschieden wird. Sie integriert eine 20 µm dicke LiCoO2-Kathode in einer lithiumfreien Anodenkonfiguration. Sie wies über hundert Zyklen hinweg eine gute Zyklenfestigkeit auf, und da sie in einem waferbasierten Prozess aufgebaut wurde, eröffnet die Möglichkeit, diese Batterietechnologie eng mit zukünftigen elektronischen Bauelementen zu integrieren.

Bild 3 zeigt die Aufnahme von (a) einer Schicht einer Dünnschichtbatterie mit einer Dicke von unter 100 µm und (b) die aktiven Schichten unter einem Rasterelektronenmikroskop. Bild 4 fasst die Ergebnisse der Studie zusammen und vergleicht sie mit früheren Arbeiten.