Galliumnitrid und Siliziumkarbid Neue Materialien, neue Möglichkeiten

Die Nachfrage nach leistungselektronischen Systemen steigt und wird auch in den nächsten Jahren ständig weiter zunehmen. Trends und Wandel in der Energieversorgung oder der Industrie bringen neue Anforderungen an die Bauteile mit sich. Neue Materialien helfen, die Energieeffizienz zu steigern.

Zum ersten Mal wurden Silizium-Leistungs-FETs vor über 30 Jahren kommerziell nutzbar. Sie beendeten die Vorherrschaft linearer Regler in der Leistungselektronik und fanden den Weg in Schaltnetzteile. Schließlich hielt der IGBT auf Silizium-Basis Einzug in die Leistungselektronik; er verbindet die einfache Ladungsregelung mit den Vorteilen eines durch die Leitfähigkeit modulierten Driftwiderstands.

Im Verlauf der Jahre wurden die Eigenschaften der Bauteile weiter verbessert, die Weiterentwicklung ist heute nur punktuell möglich. Um die Forderungen nach mehr Energieeffizienz, geringeren statischen und dynamischen Verlusten und höheren Betriebstemperaturen zu erfüllen, müssen neue Wege beschritten werden. Ein Weg dahin führt über Halbleiter mit großer Bandlücke wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN).

Erstrebenswerte Eigenschaften

Aufgrund einer größeren Bandlücke als bei Silizium bieten die neuen Materialien den Vorteil eines höheren Wirkungsgrads sowie die Möglichkeit, kleinere Umrichter-Subsysteme mit deutlich geringerem Gewicht zu realisieren (Bild 1). Letzteres ist aufgrund des hohen kritischen Feldes möglich; dadurch erreicht man geringe Verluste auch bei höheren Taktfrequenzen und somit sinken die Anforderungen an das Kühlsystem erheblich.

Weitere Vorteile sind höhere Sperrspannungen, eine größere Leistungsdichte und ein nahezu verlustfreies Schalten. Die neuen Materialien SiC und GaN übertreffen die physikalischen Grenzen von aktuellen Si-Leistungs-Bausteinen wie den CoolMOS. Die hohe Leistungsdichte, höhere Schaltfrequenzen und die höhere Betriebstemperatur machen die Halbleiter mit größerer Bandlücke zu Schlüsselelementen bei der weiteren Miniaturisierung von Leistungs-Halbleitern.

Die Vorteile müssen allerdings heute noch hohe Kosten rechtfertigen: Die Kosten für Substrat und Epitaxie sind höher als bei Silizium-Bausteinen. Daher werden die SiC- und GaN-Leistungs-Bausteine die Silizium-Bauelemente nicht vollständig ersetzen. Welche Halbleiter für welche Anwendungen genutzt werden, lässt sich anhand einer Kosten/Nutzen-Rechnung entscheiden; hinzu treten Kriterien wie die Anforderungen an die Zuverlässigkeit.

GaN und SiC im Vergleich

Im Vergleich der Kenndaten (FOM - Figure of Merit) für Leistungselektronik-Anwendungen zeigen sich keine allzu großen Unterschiede zwischen GaN und SiC, allerdings sind die Daten für die Durchbruchfeldstärke EC für GaN aufgrund fehlender experimenteller Ergebnisse zur Stoßentladung noch nicht bestätigt (siehe Tabelle).

Parameter 4H-SiC GaN
BandlückeEgap (eV)3,23,4
Durchbruchfeldstärke EC (MV/cm)2 bis 33
Elektronenbeweglichkeit µe (cm²/Vs)800max. 800
Löcherbeweglichkeit µh (cm²/Vs)5010
Wärmeleitfähigkeit (W/(mK)700max. 200
Die wichtigsten Parameter der Halbleitermaterialien 4H-SiC und GaN im Vergleich.

Ein Problem bei GaN ist die Herstellung großer Einkristalle, aus denen sich GaN-Wafer fertigen lassen. Im Gegensatz zum homo-epitaktischen Wachstum aktiver Schichten von SiC kann GaN daher heute kommerziell sinnvoll nur hetero-epitaktisch auf Fremdsubstraten erzeugt werden. Aus technischer Sicht ist dies idealerweise SiC, aus kommerziellen Gründen tendiert die Fachwelt allerdings zum wesentlich kostengünstigeren Si als Basismaterial für die Leistungselektronik.

Durch eine geschickte Wahl der Schichtfolgen bildet sich ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) aus, dessen Beweglichkeit µ parallel zur Grenzschicht praktisch nicht eingeschränkt ist. Dadurch ist in diesem Bereich der spezifische Einschaltwiderstand im Vergleich zu SiC wesentlich niedriger. Allerdings können sich die Elektronen in dieser Halbleiterstruktur effektiv nur in zwei Dimensionen bewegen (Bild 2). Fast alle Ansätze bei GaN nutzen diesen 2DEG-Effekt, z.B. in Form der sogenannten High Electron Mobility Transistoren (HEMT).

Die Transistoren gibt es als selbstleitende Bauelemente (normally on) in Kaskodenschaltung mit einem Niederspannungs-Si-Transistor, z.B. von IR oder Panasonic, oder als selbstsperrende Bausteine von EPC. Auf dem Markt sind die GaN-Bausteine im niedrigen Spannungsbereich unter 200 V verfügbar. Infineon sieht das Potenzial von GaN langfristig in der Kombination von einem oder mehreren Schaltern zusammen mit passenden Treibern in einem SoC oder als SiP.

Als erste SiC-Bausteine von Infineon kamen 2001 die Schottky-Dioden auf den Markt. Gut elf Jahre später stellten die Münchner die erste Generation ihrer 1.200-V-SiC-Transistoren vor. In den Jahren dazwischen wurde das Portfolio um verschiedene Bausteine mit Durchbruchspannungen bis zu 1.700 V und Stromtragfähigkeiten von mehr als 10 A erweitert.

Derzeit sind SiC-Transistoren mit verschiedenen Strukturen am Markt verfügbar: MOSFETs, JFETs, VJFETs und bipolare Transistoren. Dabei sind die Eigenschaften von MOSFETs und JFETs durchaus vergleichbar: Beide Bauelemente erlauben schnelle unipolare Schaltvorgänge, wie sie schon von den Si-Superjunction-MOSFETs bekannt sind.

Infineon hat sich bei der Auswahl der Struktur zunächst für JFETs mit einem horizontalen Kanal entschieden (Bild 3). Das Unternehmen möchte von der firmeneigenen, robusten Dioden-Fertigungslinie profitieren, aber Prozesskonzepte vermeiden, für die derzeit noch keine Felderfahrungen vorhanden sind. Ein weiteres Motiv ist, dass für den Gate-Oxid-Prozess auf Grund der relativ hohen extrinsischen Defektdichte des SiC-Materialsystems derzeit ein hohes Ausbeuterisiko besteht.

Stand der Technik

Die Robustheit von GaN-auf-Si-Bausteinen birgt noch einige Herausforderungen. Vor allem die Fehlerdichte in der Epitaxialschicht ist bei weitem höher als bei SiC. Außerdem gibt es keine einheitlichen Standards, und sowohl die Qualität als auch die Schichteigenschaften der GaN-Wafer variieren von Anbieter zu Anbieter. Besonders bei GaN hängt viel von der Verfügbarkeit kostengünstiger Substrate und einer niedrigeren Fehlerdichte in den aufgewachsenen Schichten ab. Mit steigender Technologiereife wird sich GaN jedoch kurz- bis mittelfristig im niedrigen und mittleren Spannungsbereich bei niedriger Stromstärke etablieren.