STMicroelectronics Verbindungshalbleiter
SiC und GaN sind Silizium auf den Fersen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
GaN-Leistungsschalter
STMicroelectronics hat SiC-MOSFETs für 1700 V bereits fertig entwickelt und arbeitet gegenwärtig an Modellen für 3300 V und 6500 V, die noch 2016 auf den Markt kommen sollen. Für den Spannungsbereich 650 V bis 900 V entstehen SiC-MOSFETs, die in den Wechselrichtern von Hybrid- und Elektroautos Verwendung finden. Im Gegensatz zu SiC-MOSFETs anderer Anwendungen bleibt der spezifische Durchlasswiderstand dieser Bauteile im Temperaturbereich von 25 °C bis 200 °C nahezu konstant und unterhalb von 4 mΩ×cm2 (Bild 3). Infolge des optimierten Verfahrensprozesses ist auch die Entwicklung einer neuen Generation planarer MOSFETs geplant, die einen spezifischen Durchlasswiderstand von 2 mΩ×cm2 aufweisen.
Die Produktionskosten für SiC-basierte Leistungshalbleiter sind eng an die Fertigungstechnik und die Stückzahlen gekoppelt. STMicroelectronics prognostiziert: »In drei bis fünf Jahren kosten SiC- und Si-Halbleiterchips gleich viel.« Bei dieser Prognose ist berücksichtigt, dass SiC-Halbleiter eine höhere Leistungsdichte und Schaltfrequenz haben. Dies begünstigt die Reduzierung der Gesamtkosten.
GaN-Leistungsschalter
GaN-Schalter mit »normally-on« werden im Hochfrequenzbereich zwar häufig verwendet, viele HF-Leistungsapplikationen benötigen jedoch den Betriebsmodus »normally-off«. Folgende Ansätze führen von normally-on indirekt zum Betriebsmodus normally-off:
- Verwendung einer Kaskadenkonfiguration bestehend aus einem Niederspannungs-Si-MOSFET und einem normally-on-GaN-Schalter.
- Abscheiden einer p-Typ-GaN-Schicht oder einer p-Typ-AlGaN-Schicht auf dem GaN-Kanal und Installation einer Schranke, um eine »p-Gate«-Struktur aufzubauen.
- Die Bildung einer Hybrid-MOS-HEMT-Struktur.
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Jeder dieser Ansätze hat Vor- und Nachteile und mehrere Hersteller haben bereits Halbleiter mit indirektem normally-off-Betriebsmodus auf den Markt gebracht. Diese zeigen deutliche Fortschritte hinsichtlich der Betriebssicherheit. In Bild 4 ist die Ausgabecharakteristik eines GaN-HEMT (25 A, 650 V) von STMicroelectronics abgebildet. Der High-Electron-Mobility-Transistor wurde durch Abscheidung von GaN auf einem 6-Zoll-Siliziumwafer mittels Hetero-Epitaxie hergestellt. Beim Kristallwachstum mittels Hetero-Epitaxie wächst ein kristalliner Film (z. B. GaN) auf einem kristallinen Substrat (z. B. Si). Der spezifische Durchlasswiderstand ist 4 mΩ×cm2.
Momentan bedient sich der GaN-HEMT zum Erzielen des Betriebsmodus normally-off der Bildung einer Hybrid-MOS-HEMT-Struktur. STMicroelectronics forscht jedoch an einem echten normally-off-Schalter, der den Zuverlässigkeitstests standhält. Das Verhältnis »Kosten versus Leistungsfähigkeit« ist für GaN-Leistungsschalter an das Herstellungsvolumen und die progressive Förderung der Massenproduktion von 8-Zoll-Wafern gekoppelt.
Über den Autor:
Dr. Salvatore Coffa ist R&D General Manager im Industrie- und Multisegment-Sektor (IMS) von STMicroelectronics.
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