Neue Herausforderungen durch Miniaturisierung Trends bei Leistungshalbleitern

Höher, schneller, kleiner - das ist eine Tendenz bei den Leistungs-Halbleitern. Höhere Betriebstemperatur, schnellere Schaltfrequenz, kleinere Preise. Wie schon bei Silizium geht auch der Trend bei den neuen Materialien wie Siliziumcarbid und Galliumnitrid hin zu höheren Leistungsdichten. Das stellt die Entwickler vor neue Herausforderungen in Sachen Verbindungstechnologie sowie Gehäuse- und Systemkonzepte.

Die Erhöhung der Leistung und Leistungsdichte bei gleichzeitig sinkenden Kosten war schon immer die einzige Entwicklungsrichtung in der Welt der Leistungs-Halbleiter. Es zeigt sich, dass dies auch in absehbarer Zukunft der Fall sein wird - insbesondere mit neuen Halbleitermaterialien. Wie schon bei Silizium (Si), so geht der Weg auch bei den neuen Materialien wie Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) in Richtung höhere Stromdichten bei gleichzeitiger schrittweiser Erhöhung der Betriebstemperaturen auf 200 °C und darüber hinaus. Diesen Ansprüchen sind die heutigen Gehäuse-Technologien noch nicht gewachsen, vor allem wegen der Notwendigkeit der viel höheren Temperatur- und Lastwechselfestigkeit. Generell ist auch schnelles Schalten ein Entwicklungstrend bei allen Materialien, um die Verluste der Bauelemente zu reduzieren und somit die Stromtragfähigkeit zu erhöhen. Auch zeigt sich, dass hier ein enormes Potenzial von etwa siebenfach geringeren Schaltverlusten liegt, was im Hinblick auf niederinduktive Verbindungs-Technologien eine Herausforderung an Gehäuse- und Systemkonzepte sein wird.

Seit der Erfindung der Leistungs-Halbleiter gab es immer nur einen Weg bei Innovation und Optimierung: Erhöhen der Leistungsdichte und Verbessern der Eigenschaften bei gleichzeitig sinkenden Kosten. Die treibende Kraft war immer die Halbleiterseite mit der dann folgenden entsprechenden Reaktion bei Gehäuse- und Montage-Technologien, die in neue Systemkonzepte mündeten; letztere mit neuen Funktionen auf immer geringeren Volumina und Leistungsverlusten. Das führte stets zu einem Anstieg der Leistung und zu einer Kostensenkung. Dies scheint ein grundlegendes Prinzip, das seine Entsprechung in der universellen Entropie findet. Es gibt nur den Weg der wachsenden Entropie in einem geschlossenen System:

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In einer nicht sehr wissenschaftlichen Weise ist dies auch für Leistungs-Halbleiter der Fall:

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p = Performance (in Bezug auf monetäre Vorteile), c = Kosten pro Bauelement.

Jeder Schritt bei der Performance findet eine Applikation, in der dieser Schritt als ein Vorteil innerhalb des Systems gewichtet wird und somit in Geld aufgewogen werden kann. Wenn diese Leistungssteigerung höhere Kosten verursacht, dann muss der Vorteil dies überkompensieren. Der andere Weg ist, nur stetig die Kosten bei immer gleichbleibender Leistung zu senken - das bedeutet Stagnation und kann bestenfalls zeitweise aufrechterhalten werden.

Gemäß diesem Prinzip erleben wir bei Leistungs-Halbleitern eine sehr starke Reduzierung in Größe und Volumen bei gleichbleibenden Strom- und Spannungsdaten pro Bauelement (Bild 1). Wie die IGBTs der ersten Generation arbeiten auch die IGBTs heute mit 1200 V/75 A und einer geschalteten Leistung von 100 kW - allerdings auf nur zwei Fünftel der Fläche.

Eine noch viel stärkere Größenreduktion war mit unipolaren Bauelementen möglich (Bild 2): Seit 1993 gibt es bei einem 600-V-MOSFET eine Reduzierung des spezifischen Widerstandes pro aktiver Fläche (Ron · A) um den Faktor 10; das bedeutet, dass heute für den gleichen Ron ein Zehntel der aktiven Fläche verwendet wird.

Diese Leistungssteigerung wurde unter Verwendung des gleichen Materials - Silizium, nur durch ständig verbesserte Kompensations-Technologien - für unipolare und bipolare Bauelemente gleichermaßen möglich. Im folgenden Abschnitt wird dies beschrieben.

Physikalisches Leistungsvermögen der Materialien

In einem normalen Leistungs-MOSFET mit vertikalem Stromfluss wird der Durchlasswiderstand vor allem durch seine Sperrspannung und die benötigte Dotierung und Dicke des Drain-Bereichs bestimmt. Von dieser Abhängigkeit kann eine einfache Beziehung zu Ron abgeleitet werden [3]:

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Dies bedeutet, dass eine bestimmte Sperrspannung automatisch eine Begrenzung des Ron beinhaltet. Diese Grenze trifft für alle Materialien zu, und zwar mit dem materialspezifischen Wert.

Solange es sich um homogene Dotierungen in dem Material handelt, beschreibt dieses Verhältnis die Realität und wurde viele Jahre nicht überwunden. Sobald es aber Dotierungskonzentrationen in Säulen alternierender n- und p-Dotierungen gibt, die nahe genug beieinander liegen, um die jeweilige Sperrschicht bei zunehmender Spannung unterhalb der kritischen Durchbruchfeldstärke zu kompensieren, dann ändert sich die Beziehung zu einem direkten Verhältnis:

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Das Kompensationsprinzip ist in Bild 3 für einen CoolMOS dargestellt [4]. Im eingeschalteten Zustand fungieren die hoch dotierten n-Säulen als ein sehr niederohmiger Leiter. Im Aus-Zustand sind die parallel liegenden n- und p-dotierten Säulen vollständig entladen und wirken sich in der Gesamtheit wie eine Sperrschicht mit einem rechteckigen Feldverlauf aus (wenn p- und n-Ladungen gleich sind).

Die beiden Formeln (3) und (4) sind als durchgezogene und gepunktete Grenzlinien in Bild 4 dargestellt [5], gemeinsam mit real existierenden Bauelementen wie Si-, SiC- und GaN-MOSFETs sowie für bipolare IGBTs (bei Nennstrom).

Wie zu erkennen ist, gilt das Verhältnis (4) in etwa für alle Kompensations-Bauelemente. In diesem Sinne zählt auch der bipolare IGBT zu den Kompensations-Bauelementen, da hier im eingeschalteten Zustand Löcher und Elektronen im Plasma ideal ausgeglichen sind.

Die durchgezogene rote Linie für Si-Bauelemente wird deutlich von CoolMOS- und Niederspannungs-MOSFETs (SFET-Bauelementen) übertroffen, aber auch von IGBTs, die direkt nach der gestrichelten roten Linie der 16-μm-Pitch-Bauelemente folgen. Die grüne Linie für SiC-Bauelemente ist eine Verschiebung der Si-Linie um einen konstanten Faktor. Real existierende SiC-JFET-Bauelemente sind immer noch um den Faktor 5 entfernt von dieser Linie - das zeigt ihr Potenzial selbst ohne Kompensation! Von neuesten (lateralen) GaN-Bauelementen wird berichtet, dass sie in noch weit größerem Abstand vom idealen berechneten Grenzwert der lateralen Bauelemente liegen (durchgezogene blaue Linie).

Neue Materialien, neue Herausforderungen

Aus Bild 1, Bild 2 und von der vorangegangenen Diskussion lässt sich ableiten, dass der Regressionsverlauf bei Leistungs-Halbleitern schon seit langer Zeit läuft und noch für lange Zeit fortschreiten wird - auch bei Si-Bauelementen wird dieser Weg weiter verfolgt werden (Nakagawa-Linie [6], durchgezogene schwarze Linie in Bild 4). Mit immer höheren Stromdichten bei Si und weit höheren bei SiC- oder GaN-Bauelementen (200 A/cm² bei 1200-V-Si-Bausteinen, das Doppelte oder Dreifache bei SiC, oder sogar noch mehr bei GaN), entstehen einige Probleme, die mit derzeitigen Montage- und Verbindungs-Technologien nicht mehr behandelt werden können. Diese sind:

  • Niederimpedante Verbindungen (ohmsche und induktive),
  • höhere Stromdichten pro Gehäuseeinheit,
  • höhere thermische Widerstände (und geringere thermische Kapazität) pro Chip verlangen nach höheren Chip-Temperaturen und besseren thermischen Verbindungen,
  • der gleiche Wärmefluss muss aus kleinerer Grundfläche in die Umgebungsluft abgeführt werden.

Natürlich könnten die besseren Halbleiter-Eigenschaften bei der Abgabe niedrigerer Verlustleistung an die Umgebungsluft genutzt werden, aber dieser Weg wurde bislang und wird auch in Zukunft aufgrund wirtschaftlicher Gründe (Formel (2)) nur wenig verfolgt werden.