Wie Galliumnitrid die Leistungswandler verändert
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Vorteile von GaN-on-Silicon
Da großvolumige GaN-Substrate unwirtschaftlich sind, wurde ein heteroepitaxialer Lösungsansatz zum Aufbau GaN-basierter Leistungsbausteine gewählt. Bislang wurden für die GaN-Epitaxie vorwiegend entweder SiC oder Saphir als Substrat eingesetzt. Bei beiden handelt es sich allerdings um verhältnismäßig teure Ansätze.
Obgleich Silizium eine attraktive und preisgünstige Alternative darstellte, blieben Schwierigkeiten wegen Defekten und Verformungen infolge Fehlanpassungen der Gitterparameter und Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. Diese Probleme konnten in Form einer GaN-on-Silicon-Technologieplattform gelöst werden, die eine hervorragende Gleichmäßigkeit der Epitaxialschicht, geringere Defektdichten und eine höhere Bausteinzuverlässigkeit bietet. Darüber hinaus ist der Fertigungsprozess für den Baustein CMOS-kompatibel und ermöglicht deshalb eine Großserienbeschichtung von GaN-basiertem Material auf kostengünstigen Silizium-Wafern mit größerem Substratdurchmesser. Die neuartige GaN-on-Si-Technologieplattform für Design und Fertigung erhielt die Bezeichnung GaNpowIR.
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Wie in Bild 1 gezeigt, stellt der grundlegende GaN-on-Si-basierte Leistungsbaustein einen HEMT (High Electron Mobility Transistor, Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit) dar. Er basiert auf dem Vorhandensein eines zweidimensionalen Elektronengases (2DEG), das spontan durch die unmittelbare Nähe einer dünnen AlGaN-Schicht auf einer GaNOberfläche hoher Qualität gebildet wird. Da es sich bei dieser Bausteinstruktur um einen HFET mit einem Kanal mit hoher Elektronenbeweglichkeit handelt, der bei Abwesenheit der angelegten Spannung leitet (normally on, Verarmungstyp), wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um eine eingebaute Modifikation des 2DEG unter dem gate-gesteuerten Bereich zu erreichen, die ein selbstsperrendes Verhalten (normally off, Anreicherungstyp) erlaubt.
Im Wesentlichen liefert dieser neuartige Leistungsbaustein erhebliche Verbesserungen bei drei grundlegenden Gütefaktoren, nämlich beim spezifischen Einschaltwiderstand, beim Schalten des Bausteins sowie beim Einsatz in der Leistungsumwandlung. Grundlegende physikalische Gesetze geben Hinweise darauf, dass GaN-basierte HEMTs im Vergleich zu Silizium-MOSFETs im Anwendungsbereich 100 bis 300 V eine Verbesserung des RDS(ON) um den Faktor 10 erreichen können. Tatsächlich werden diese Behauptungen durch simulierte Ergebnisse für einen GaNon-Si-basierten 200-V-HEMT vom Anreicherungstyp in einem Gehäuse von 5 mm × 6 mm noch gestärkt.
Diese Erkenntnisse, dargestellt in Bild 2, deuten darauf hin, dass mit kontinuierlichen Verbesserungen dieses 200-V-GaN-Leistungsbausteins innerhalb eines Zeitraums von fünf Jahren tatsächlich eine 10-fache Verbesserung des RDS(ON) gegenüber derzeitigen modernen Silizium-MOSFETs erreichbar ist. Folglich wird einem GaN-Schalter in einem 5 mm × 6 mm großen Gehäuse bis zum Jahr 2014 ein RDS(ON) von weniger als 5 mΩ prognostiziert.
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