Schalter aus Galliumnitrid Ist die Zeit reif für GaN?

Die Leistungswandlung muss effizienter, die Leistungsdichte größer, die Batterielebensdauer länger und die Schaltgeschwindigkeiten höher werden. Da siliziumbasierte Schalter an materialbedingte Grenzen stoßen, gilt es nun, Halbleitertechnologien wie GaN-on-Si in die Serienfertigung zu überführen.

von Tim Kaske, Product Marketing Manager bei ON Semiconductor

Galliumnitrid (GaN) beeinflusst bereits seit einem Jahrzehnt verschiedene Märkte. In der Optoelektronik ist die Technologie maßgeblich an der Entwicklung und Verbreitung sehr heller Leuchtdioden beteiligt. In der drahtlosen Kommunikationstechnik finden sich hochleistungsfähige HF-Bausteine wie HEMTs (High Electron Mobility Transistors) und MMICs (Monolithic Microwave Integrated Circuits) auf GaN-Basis.

Nun ergibt sich ein großes Potenzial im Bereich der Leistungselektronik. Die Analysten von Yole Research sagen für GaN-Leistungselektronik einen jährlichen Marktwert von 600 Millionen US-Dollar voraus. Falls sich die Einschätzung von Yole als richtig erweist und diese Zahl erreicht wird, ergäbe sich über die nächsten fünf Jahre ein durchschnittliches jährliches Wachstum (CAGR) von 100%. Allerdings müssen noch zahlreiche Herausforderungen bewältigt werden, bevor dies geschieht. Der folgende Beitrag beschreibt, was für die weitere Verbreitung von GaN getan werden kann.

Verschiedene Aspekte führen heute zu einem erhöhten Interesse an GaN als zuvor. Entwickler von Leistungselektronik und Stromversorgungen müssen immer mehr Leistungsdichte auf engerem Raum unterbringen. In der Unterhaltungselektronik werden zum Beispiel die Ladegeräte für tragbare Geräte immer kompakter. Ebenso werden die Racks in Rechenzentren immer dichter bestückt beziehungsweise kompakter ausgelegt. Als Folge müssen die Leistungsdichten steigen und der Wirkungsgrad bei der Leistungswandlung muss sich verbessern, damit Kühlkörper für die Leistungselektronikbausteine nicht zu viel Platz einnehmen beziehungsweise kleiner ausfallen können. Die Anforderungen an die Leistungs-MOSFETs steigen deshalb: Sie müssen schneller schalten können.

Die Mehrheit derzeitiger Halbleiterprozesstechnologien basiert auf Siliziumsubstraten. Lange etablierte Halbleiterprozesse für dieses Substratmaterial sind seit vielen Jahrzehnten die Grundlage der Elektronikindustrie. Über diesen Zeitraum hinweg war die Technik ausreichend für eine effiziente Leistungswandlung – heute nicht mehr (Bild 1). Siliziumbasierte Leistungsschalter erreichen zunehmend ihre physikalischen Grenzen, in Zukunft lassen sich also nur noch kleine Verbesserungen erzielen. Da wir in einer Zeit leben, in der wir immer abhängiger von der Bereitstellung elektrischer Leistung werden, müssen alternative Halbleitertechnologien näher untersucht werden.

Welche Möglichkeiten bietet Galliumnitrid?

Wie bereits erwähnt, müssen Leistungshalbleiter der nächsten Generation folgende Kriterien erfüllen:

  • hoher Wirkungsgrad bei der Leistungswandlung,
  • hohe Leistungsdichte und kompakte Baugröße,
  • kurze Schaltzeiten und
  • Kosteneffizienz.

Je nach Einsatzzweck des Bausteins sind bestimmte Kriterien wichtiger als andere. Galliumnitrid erfüllt alle diese Kriterien – für einige sofort, für andere vielleicht in der Zukunft.

Jedes Leistungselektroniksystem weist ein gewisses Maß an Verlusten auf. Aufgrund seiner großen Bandlücke bietet GaN allerdings wesentlich weniger Verluste als Silizium. Dadurch steigt der Wirkungsgrad bei der Leistungswandlung. Da ein GaN-Chip oder -Die kleiner als sein Pendant aus Silizium sein kann, verkleinern sich auch die Gehäuse. Die große Einsatzvielfalt von Galliumnitrid ist vor allem in Schaltkreisen von Vorteil, die hohe Schaltgeschwindigkeiten erfordern.

Bild 2 zeigt den Aufbau eines GaN-HEMT-Bausteins im Vergleich zu einem in derzeitiger Si-MOSFET-Technologie. Der laterale Elektronen- 
fluss bei Galliumnitrid sorgt für niedrigere Leitungsverluste (niedriger Durchlasswiderstand) und für geringere Schaltverluste. Größere Schaltgeschwindigkeiten tragen auch dazu bei, Platz einzusparen, da weniger passive Bauelemente erforderlich sind und die Spulen magnetischer Bauelemente wesentlich kleiner ausfallen können. Der höhere Wirkungsgrad mit GaN bedeutet auch, dass weniger Wärme abzuführen ist. Damit verringert sich der Platzbedarf für Wärmemanagementlösungen wie zum Beispiel Kühlkörper.